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10. 2006
RIVISTA DEL POLITECNICO DI MILANO
POLITECNICO
Disabilità e
ricerca avanzata
al Politecnico di Milano
Disability and
advanced research
at the Politecnico di Milano
RIVISTA DEL POLITECNICO DI MILANO
POLITECNICO
10.2006
Comitato di Redazione
Editorial Board
Giulio Ballio
Giovanni Azzone
Adriana Baglioni
Carlo Ghezzi
Licia Sbattella
Direttore responsabile
Editor in chief
Maria Licia Zuzzaro
Progetto grafico
Graphic Project
Sit.com
Impaginazione
Graphics and Layout
Paola Ferri
Stampa
Print
Laser Copy Center srl
via Livraghi, 1
20126 Milano
Milano, Ottobre 2006
Registrata presso
il Tribunale di Milano
con il n° 813 del 13.11.1987
Tutti i diritti riservati
al Politecnico di Milano.
Politecnico di Milano
All rights reserved
Indice
TITOLO
Testo news
Contents
4. Giulio Ballio
Prefazione
Foreword
6. Licia Sbattella
Disabilità e ricerca avanzata: il sapere
tecnologico alla prova dell’uomo
Disability and advanced research.
Technological know-how and humankind:
a testing challenge
10.Abitare
Living
36. Apprendere & comunicare
Learning & communication
66. Curare & riabilitare
Treatment & rehabilitation
110. Diagnosticare
Diagnosis
130. Analizzare & censire
Analysing & assessing
138. Multi Chance Poli Team
Servizi per studenti in situazione di disabilità
al Politecnico di Milano
Services for students in a situation of disability
at the Politecnico di Milano
Disabilità e ricerc
al Politecnico di Milano
Ogni ricercatore desidera
che la comunità scientifica
apprezzi la sua ricerca;
è gratificato se i risultati
della sua ricerca portano
benefici allo sviluppo della
società, prova una intima
soddisfazione se riesce ad
aiutare la parte più debole
della collettività.
Purtroppo la società alla
quale apparteniamo,
finanziando la ricerca in
funzione delle potenziali
ricadute economiche dei
suoi risultati; costituisce una
grave limitazione per coloro
che vorrebbero riservare
una parte significativa della
propria attività di ricerca ai
tentativi di rendere meno
disagevole la vita di chi è
segnato nel corpo o nella
mente da ferite indelebili.
Da molti anni molti
ricercatori del nostro
Ateneo si sono coinvolti
in studi, messa a punto
di nuove tecnologie e di
progetti, volti a mitigare
le difficoltà di persone
diversamente abili, nella
convinzione che tali attività
siano parte integrante della
loro missione di ingegneri,
architetti, designers.
In questo numero della
nostra Rivista abbiamo
cercato di diffondere alcuni
risultati di questa attività
di ricerca, in larga misura
basata sul volontarismo
delle persone coinvolte,
anche nella speranza che
questa testimonianza possa
favorire le nostre richieste
di aiuto, necessarie per
rendere più incisiva la nostra
azione nei confronti della
disabilità.
Per concludere desidero
esprimere il riconoscimento
mio personale e di tutto
l’Ateneo alla professoressa
Licia Sbattella, delegato del
Rettore per le problematiche
relative alla disabilità, che
non solo ha curato questa
pubblicazione, ma che 120
nostri studenti e le loro
famiglie considerano il loro
Angelo Custode per la sua
competenza scientifica, per
la sua professionalità nel
progettare sussidi specifici,
per la sua dedizione e
disponibilità.
Giulio Ballio
Rettore del Politecnico di
Milano
ca avanzata
Disability and advanced research at the Politecnico di Milano
It is the desire of every
researcher that their work
be appreciated by the
scientific community; it is
a source of gratification
if their research benefits
society’s development; if
the weakest members of
society can be helped, it is
all the more satisfying.
Unfortunately the society
to which we belong
finances research in
terms of its economic
potential. This constitutes
a severe limitation for
those who would dedicate
a significant part of their
research activity towards
trying to make life less
difficult for those whose
body or mind has suffered
permanent injury.
For many years, many of
the researchers here at the
Politecnico di Milano have
been involved in studies,
have designed new
technologies and have
launched new projects
aimed at mitigating the
difficulties of those who
are differently abled, in
the firm belief that such
work forms an integral
part of their mission as
engineers, architects and
designers.
In this issue of our
magazine we have
endeavoured to
communicate some
of our results in this
research area, in large
measure based on the
voluntary good will of
those involved, with the
additional hope that the
testimony of this research
may promote our requests
for support, so necessary
for ensuring that our work
in the field of disability is
all the more incisive.
Finally, I should like to
express my personal
gratitude and the gratitude
of the whole Politecnico di
Milano to Professor Licia
Sbattella, the Rector’s
delegate for problems
related to disability. Not
only has she edited this
publication, but 120 of
our students and their
families consider her to
be their Guardian Angel
for her scientific expertise,
her professionalism
in arranging specific
bursaries, her unflagging
dedication and her
unstinting helpfulness.
Giulio Ballio
Rector of the Politecnico di
Milano
When one encounters damage to the body or to the
mind, either one’s own or that of others, a mark is
invariably left. Often it raises painful and striking
questions which are only partially dependent on
the gravity of the damage, its aetiology or its social
repercussions. Occasionally such an encounter
leads to the sad realisation of the limitations of the
contexts in which we live and our relationships.
However, it almost always, and in ways which
are totally unexpected, gives rise to a sudden
momentum: a setting in motion of the body, mind,
Licia Sbattella
contexts and relationships in new ways which are
only partially understood.
Disabilità e ricerca avanzata: il sapere
Whoever has lived through a difficult situation,
tecnologico alla prova dell’umano
whether directly or indirectly, knows that making
the most of one’s residual resources to compensate
Disability and advanced research.
and adjust is simply never enough. Nor is it enough
Technological know-how and
to merely try to assess or understand. Attempting to
humankind: a testing challenge
simplify, reduce, break down, split things up...with
a view to better organising oneself - will not suffice
either. Disability is a situation that will undoubtedly
severely try those who do not invest all their human
resources, body and mind, and just think “all I need
do is…” It is as if disability constrained one to live
L’incontro con la ferita del corpo o della mente,
a double and essential dynamic: one’s thoughts
propria o altrui, lascia sempre una traccia.
must be firmly rooted in reality and yet at the same
Spesso sollecita interrogativi dolorosi, drammatici
time must be engaged in a constant seeking out
e solo parzialmente dipendenti dalla gravità della
of broader and unpredictable dimensions, times,
menomazione, dall’eziologia o dal suo riflesso
contexts and relationships.
sociale. Talvolta porta alla triste constatazione della
Elegance and intricacy permeate the tools, methods,
limitatezza dei contesti e delle relazioni che abitiamo. models and techniques on which our research work
Quasi sempre, però, e in modo del tutto inatteso,
is constantly focused. Finding oneself incapacitated
motiva e genera slancio: mette in moto il corpo, la
and in an arduous situation concentrates the human
mente, i contesti e le relazioni in modo inedito e
mind and lends impetus to techniques. The question
parzialmente sconosciuto.
uppermost in our minds when deciding upon these
Chi ha vissuto direttamente o indirettamente
presentations was: what role do we play?
situazioni di difficoltà, sa che non basta mai limitarsi
A view of the person in their entirety and in their
a valorizzare le risorse residue, a compensare e ad
context
aggiustare. Non basta neppure limitarsi a misurare
The research studies we are presenting here have
o a comprendere. Spesso è inadeguato persino
been conducted at the Politecnico for over three
semplificare, ridurre, spezzettare, scomporre ... per
years: some have already been completed, while
poi organizzarsi meglio. Le situazioni di disabilità
some are still ongoing.
mettono sempre a dura prova chi pensa “di potersi
They have been grouped in such a way as to suggest a
limitare a...”, chi non investe le migliori risorse del
global view of the person and the contexts they bring
proprio corpo e della propria mente.
È come se le situazioni di disabilità costringessero, ad to light.
Any systematic medical classification has been
una duplice e vitale dinamica: ancorano il pensiero
al reale ma lo obbligano contemporaneamente alla
costante esplorazione di dimensioni, tempi, contesti
e relazioni allargati e non scontati.
Raffinatezza e complessità abitano gli strumenti, le
metodologie, i modelli e le tecniche oggetto costante
del nostro lavoro di ricerca. L’umano, ferito e
messo alla prova, àncora il pensiero e dà slancio alla
tecnica. Ecco allora l’interrogativo che ha guidato la
raccolta degli interventi che vi proponiamo: in che
modo questo avviene nel nostro ateneo?
Uno sguardo alla persona nella sua globalità e ai
contesti che essa vive
Le ricerche presentate sono attive nell’ateneo da
più di tre anni: alcune si sono già concluse, altre
sono ancora in corso. Vi vengono proposte tramite
raggruppamenti che suggeriscono uno sguardo
globale alla persona e ai contesti che essa valorizza. Si
è volutamente evitato il ricorso a una classificazione
nosografica che inevitabilmente avrebbe ridotto la
persona al suo tratto in difficoltà.
Ecco allora le sezioni: abitare, apprendere e
comunicare, curare e diagnosticare, analizzare e
censire. Ci sono sezioni più ricche e altre meno.
Forse alcuni ambiti si prestano maggiormente
alle metodologie che meglio padroneggiamo,
ma sicuramente alcune lacune potranno essere
felicemente colmate da future ricerche e progetti.
Proprio in questa sede è bene sottolineare
l’importanza di tutte le dimensioni suggerite.
La naturale valorizzazione delle dimensioni cliniche
e riabilitative non deve far trascurare i vantaggi
ottenibili dall’applicazione dell’innovazione
modellistico-progettuale e scientifico-tecnologica
alle diverse dimensioni di una vita piena.
A riprova di questo sottolineiamo il ruolo che
hanno avuto negli ultimi anni alcune tra le ricerche
descritte nella sezione apprendere e comunicare
per l’offerta (da parte del MultiChancePoliTeam)
di servizi innovativi agli studenti in situazione di
disabilità che frequentano l’Ateneo.
Multimodalità e multicanalità, apprendimento e
comunicazione
Nelle sezioni dedicate all’impiego di tecnologie
abilitanti per il miglioramento della vita quotidiana,
per l’apprendimento e la comunicazione emergono
1.
Paul Klee, Labirinto distrutto,
1939, 346.
Paul Klee, Destroyed labyrinth,
1939, 346.
deliberately avoided. This would have otherwise
identified the person with their “difficult feature”.
These then are the sections: living, learning and
communicating, diagnosing and treating, analysing
and assessing. Some sections are more detailed
than others. It may be that the methods in which
we have most expertise are more suited to certain
environments, but undoubtedly future research and
projects will be able to close some of the gaps.
It is important to emphasis the value we place
on each and every aspect of the work we present
here. The natural emphasis placed on the clinical
and rehabilitation aspects of our work should by
no means imply any neglect of the advantages
that innovative design models and scientific and
technological developments bring to the various
aspects of a full life.
As confirmation of this, we would emphasise
the role played in recent years by some of our
research initiatives described in the learning and
communicating section regarding services (provided
on behalf of the MultiChancePoliTeam) for students
with disabilities attending the Politecnico.
le metodologie volte all’impiego di multimodalità
e multicanalità e l’attenzione al design innovativo
non solo per le situazioni di disabilità motoria e
sensoriale ma anche per le situazioni di difficoltà
cognitiva e relazionale legate a quadri congeniti o
acquisiti.
Realtà virtuali, arricchimento dei contesti con robot
autonomi, modalità innovative di interfacciamento
con il mondo informatico (con particolare
riferimento all’uso del gesto, della voce, delle
immagini e dei biosegnali), rivisitazione dei processi
cognitivi e comunicativi con particolare attenzione
al livello di astrazione e alla salvaguardia della
complessità espressiva e della minimalità. Ma anche
design a servizio della progettazione di artefatti di
uso comune o attenzione all’accessibilità ambientale,
abitativa, culturale e lavorativa.
Cura, riabilitazione e diagnosi
Le sezioni dedicate al miglioramento delle attività
diagnostiche e terapeutiche prestano particolare
attenzione:
- alla riabilitazione bio-meccanica, all’analisi
tridimensionale e multifattoriale della postura e del
movimento e alla progettazione e validazione di arti
artificiali;
- alla cura e alla riabilitazione neurologica (con
neuroprotesi e stimolazione neuromuscolare o
tramite esoscheletro per l’apprendimento di nuove
strategie);
- alla creazione e riparazione di tessuti danneggiati
e alla progettazione di materiali e dispositivi
biomedici;
- al telerilevamento e al monitoraggio non invasivo,
all’analisi e all’integrazione di dati e immagini.
Anche gli interventi di queste sezioni presentano
una particolare attenzione per la messa a punto di
procedure e metodologie di verifica dell’impatto e dei
risultati connessi all’adozione delle strategie proposte.
Multimodality and multichannelling, learning and
communication
The sections devoted to enabling technologies for
the improvement of day to day living, learning and
communication also describe methods directed
towards multimodality and multichannelling.
Attention is also centred on innovative design - not
just in the area of motor and sensory disabilities, but
also in that of cognitive and relationship difficulties
arising from congenital or acquired conditions.
Virtual reality, context enhancement via
autonomous robots, innovative means of interfacing
with IT systems (with particular reference to
the use of gesture, voice, images and biosignals),
reassessment of cognitive and communicative
processes with particular emphasis on the level
of abstraction and the safeguarding of expressive
complexity and of minimalism.
In addition to this, research is conducted into design
for commonly used artefacts and environmental,
cultural, home and work accessibility.
Treatment, rehabilitation and diagnosis
The sections dedicated to the improvement of
diagnostic and therapeutic activities particularly focus
on: biomechanical rehabilitation, three-dimensional
and multifactorial posture and movement analysis,
and the design and validation of artificial limbs;
neurological treatment and rehabilitation (with
neuroprostheses and neuromuscular stimulation or
via an exoskeleton for the learning of new strategies);
the creation and repair of damaged tissues and the
design of biomedical materials and devices; noninvasive remote sensing and monitoring, analysis and
integration of data and images. The presentations
in these sections also pay particular attention to the
establishment of assessment procedures and methods
regarding the impact and results of the proposed
strategies.
Analizzare e censire
Analysing and assessing
A supporto della creazione di modelli integrati
di indagine, erogazione e valutazione di servizi
abilitanti vengono riportate alcune indagini relative
all’inserimento di persone in situazione di disabilità
nel mondo del lavoro, analisi del bisogno e valutazioni
relative ai sistemi di assistenza presenti sul territorio.
Integrated models of investigation, delivery and
evaluation of enabling services are supported
by several studies, reported here, regarding the
placement of people with disabilities in the working
environment, needs analyses and assessments with
respect to national care systems.
Problemi aperti
Open questions
Gli studi presentati evidenziano alcune urgenze.
Prima fra tutte, la necessità di coinvolgere in modo
continuativo un numero significativo di enti e
competenze differenti in vista della creazione di reti
abilitanti, terapeutiche e riabilitative. Articolate ma al
tempo stesso ben integrate.
In secondo luogo la messa a punto di metodologie e
processi in grado di garantire l’integrazione delle fasi
di ricerca e progettazione di soluzioni innovative con
le successive fasi di erogazione sul territorio. A questo
proposito è importante sottolineare che le soluzioni
innovative possono avere ricadute di qualità rapide
e accessibili in termini economici solo in presenza
di attente politiche no-profit volte ad esempio al
rilascio di licenze aperte e royalty-free o di brevetti
che tengano conto della necessità di creare prodotti
accessibili anche a fronte di un limitato mercato.
Particolarmente significativa risulta, infine,
l’attenzione alle procedure di verifica dei risultati
ottenuti e percepiti in termini di qualità della vita,
di miglioramento delle condizioni di salute e di
integrazione e flessibilità sociale e istituzionale.
These research studies highlight certain urgent
matters. First of all is the necessity to constantly
involve a significant number of authoritative bodies
and specialised centres with the aim of creating
enabling, therapeutic and rehabilitative networks
which are independently organised and yet at the
same time well integrated. Secondly, there is a need
to establish methods and processes able to ensure the
integration of planning and research of innovative
solutions and subsequent service delivery at a
national level. It is therefore important to emphasise
that innovative solutions can have consequences in
terms of rapid quality and financial accessibility only
by means of a careful non-profit policy, aiming for
example at issuing open and royalty-free licences
or patents taking into account the need to create
products which are accessible even to a limited
market. In conclusion, of particular significance
are procedures to assess the results obtained and
perceived in terms of quality of life, improvement
of health conditions and social and institutional
integration and flexibility.
Prestigio e responsabilità
Prestige and responsibility
All’apprezzamento per quanto censito e descritto si
uniscono l’auspicio di un incremento delle ricerche
e dei progetti d’ateneo in questo importante e
delicato settore e un’ultima osservazione. Occuparsi
di contesti di disagio e di difficoltà porta spesso
notevoli effetti collaterali. Sicuramente in termini
di entusiasmo e di gratificazione personale e sociale
ma anche rispetto alle possibilità di allargamento
e crescita della ricerca stessa. Se è vero che il
sapere scientifico può fare passi da gigante quando
punta all’uomo, è altrettanto vero che l’attenzione
all’uomo in difficoltà porta spesso a facilitazioni nel
reperimento fondi e a un certo prestigio indotto.
È bene però ricordare che la messa in circolo di questi
effetti collaterali (in generale buoni a priori) dipende
dal senso di responsabilità che essi suscitano.
Da questo infatti dipendono le ricadute nella vita di
ogni giorno che si riescono effettivamente a realizzare.
Gli indicatori necessari per la valutazione di
quest’ultimo aspetto sono di facile identificazione:
riguardano tutti l’effettivo benessere di quell’umano
messo alla prova di cui si diceva all’inizio.
The appreciation of all that which has been evaluated
and described so far should be joined to the hope
for constant development of research and projects
carried out at the Politecnico in this important and
sensitive field. A final observation is in order: working
in the context of disability and difficulty often leads
to considerable side effects not only in terms of
enthusiasm and personal and social gratification,
but also in terms of expansion and development of
research itself. If it is true that scientific knowledge can
make gigantic strides when aimed towards the human
being, it is equally true that a focus on the human in
difficulty often facilitates funding and fosters a certain
prestige. We should, however, remember that such
side effects (which are generally good in themselves)
depend on the sense of responsibility they engender,
which leads to consequences that can be implemented
in our daily lives. It is easy to identify the necessary
indicators for assessing this latter aspect: they all
regard the act of human striving towards well-being
when facing a testing challenge.
Abitare
Living
12. Progetto Facile: realizzazione di due residenze predimissioni all’interno dell’Ospedale E. Morelli di
Sondalo e dell’Ospedale Danderyd di Stoccolma
Production of two pre-discharge residences in the
E. Morelli Hospital at Sondalo and the Danderyd
Hospital in Stockolm
16. Progetto di un Centro ricerca di design per anziani
Project of a research design centre for elderly
people
20. OMS - Città Sane e Healthy Urban Planning a
Milano
Politiche urbane per la salute della città
WHO - Healthy Cities and Healthy Urban Planning
in Milan
Urban policies for health in the city
24. Adeguamento di complessi monumentali a
destinazione pubblica: procedure di analisi e
integrazione con il progetto di conservazione
Adaptation of monumental complexes to public
destination: procedures of analysis and integration
with the conservation plan
28. Sistemi robotici autonomi per persone con
impedimenti motori
Autonomous robotic systems for people with
motor disabilities
30. SLURP! Semplicemente Liberi: Usabili e
Riconfigurabili Posate
SLURP! Simple Living: Usable and Reshaped
knives, forks and sPoon
Progetto Facile – Realizzazione di due
residenze pre dimissioni all’interno
dell’Ospedale E. Morelli di Sondalo e
dell’Ospedale Danderyd di Stoccolma
Production of two pre-discharge
residences in the ‘E. Morelli’ Hospital at
Sondalo and the Danderyd hospital in
Stockholm
Dipartimento Building Environment Sciences and
Technology - BEST
Gruppo di ricerca
Research group
Oliviero Tronconi
Gian Guido Belardi
Andrea Ciaramella
Sophie Corbetta
Marzia Morena
Anno di avvio attività
Beginning of activity
1996
Cooperazioni nazionali e internazionali
National and international collaboration
ICIE Istituto Cooperativo per l’Innovazione,
Bologna
ITALDATA, Avellino
Azienda Ospedaliera “ E. Morelli” di Sondalo
Consorzio Nazionale Servizi, Bologna
Centre Scientifique et Tecnique de la Construction,
Belgio
Belgian Centre for Domotics and Immotics, Belgio
Danderyds Sjukhus, Svezia
Kungliga Tekniska Hogskolan – Royal Institute of
Technology, Svezia
Sito web
Website
http://www.ospedalesondalo.it/vertice/51999.htm
http://www.icie.it/frame.htm
12
La casa pre-dimissioni: un laboratorio per la
riabilitazione di persone che hanno contratto una
disabilità
Le persone affette da menomazioni che ne limitano
la funzionalità hanno come bisogno primario quello
di vivere in un ambiente domestico conformato alle
loro particolari condizioni fisiche, cioè un ambiente
sicuro, confortevole che consenta loro la massima
autonomia e socializzazione.
Raggiungere questo obiettivo, qualunque sia la
condizione di partenza (handicap derivato da
incidente, handicap congenito, decadimento fisico
dovuto alla vecchiaia...), non è né immediato, né
facile per i soggetti interessati, i quali costituiscono
un’utenza spesso debole e comunque non certo
esperta nel districarsi in un mercato che offre
un’infinità di oggetti, tecnologie e servizi .
Nella maggior parte dei casi, infatti, questi soggetti
si vedono costretti ad adattare la propria abitazione
alle nuove condizioni fisiche per sfruttare le
proprie potenzialità residue (anche minime) al
fine di svolgere in modo autonomo le principali
occupazioni quotidiane.
Nasce, così, nell’ambito del programma di ricerca
europeo “DE3207 FACILE: Support tools for
housing design and management, integrated with
telematics system and services, devoted to disabled
and elderly people (TIDE Program, European
Commission DG XIII) su proposta del Prof. Oliviero
Tronconi il progetto della Casa-Pre-Dimissioni.
Obiettivo generale del progetto è la definizione
e l’applicazione di sistemi integrati con le
tecnologie di informazione e comunicazione e i
prodotti e apparecchiature domotiche finalizzate a
incrementare la qualità di vita di anziani e disabili
nell’ambiente domestico.
La Casa Pre-Dimissioni consente alle persone
divenute disabili in seguito a un evento traumatico
o a una malattia che ne compromettono seriamente
e improvvisamente le capacità motorie, di preparare
al meglio il rientro a casa dopo la fase del ricovero e
della riabilitazione fisica.
Dopo una prima fase di ricerca, finalizzata alla
definizione dei bisogni dell’utenza e alla redazione
di un International Catalogue of home Environment
Systems e una Guide to Design, la fase finale del
progetto ha previsto la realizzazione di due prototipi
1.
Vista Ospedale E. Morelli
E. Morelli Hospital View
The FACILE Project, implemented with the
contribution of EC DG XIII – Telematics
Applications for the elderly and disabled – aims to
support doctors and rehabilitation therapists in the
hospital environment and those individuals who,
after a trauma or a long period in hospital, must
face return to their own home in new and changed
physical and psychological circumstances.
The project contributes to the provision of an
adequate answer to the need of individuals with
motor and cognitive disabilities to live in an
environment suitable for their situation that is both
safe and comfortable and at the same time ensures
autonomy and social contacts.
Those who use the results of the project will chiefly
be individuals with impaired capabilities, their
families, doctors and rehabilitation experts, as well as
the other professionals involved in the “return home”
process.
The results of the FACILE project are:
1.Construction of two prototype PDH (pre
Discharge Home) at the Danderyd Hospital in
Stockholm and the Morelli Hospital at Sondalo.
13
2.
Pianta Ospedale E. Morelli
E. Morelli Hospital Plan
3.
Pianta
Plan
di Casa Pre-Dimissioni (PDH), uno in Svezia, a
Stoccolma, all’interno del Danderyd Hospital, per
utenti con disabilità cognitive, e l’altro in Italia,
nell’Ospedale Eugenio Morelli di Sondalo per
utenti mielolesi, para/tetraplegici, che fanno uso di
carrozzina manuale o elettrica per la mobilità.
Il prototipo prevede la creazione di un appartamento
di circa 100 mq che comprende: salotto, camera
da letto, camera da letto per un familiare o un
assistente, due bagni e cucina.
I pazienti del centro di riabilitazione, prima delle
dimissioni definitive, possono trascorrere qui alcuni
giorni, anche con i propri familiari, di modo che
anche questi ultimi possano partecipare a questa
sorta di “esperimento” che li vede inseriti in un vero
ambiente domestico: la struttura permette, infatti,
di simulare nel modo più efficace i compiti e le
difficoltà della vita quotidiana.
Il fruitore della Casa Pre-Dimissioni, oltre ad avere
l’opportunità di testare tutti gli ausili che il mercato offre
per facilitare lo svolgimento delle attività quotidiane,
può utilizzare sanitari e arredi regolabili in altezza che
gli consentano di individuare la misura adatta alle
2.An international catalogue of domotic products
and systems as a means for providing the end user
with the information necessary for knowledge of the
telematic and automatic products available on the
market.
3.A Design Guide, containing information, criteria
and methodologies for design and modifi cation of
a domestic environment to meet the needs of the
elderly and disabled.
14
4.
Cucina
Kitchen
6.
Camera da letto
Bedroom
proprie esigenze da adottare nella propria abitazione;
inoltre ha l’occasione di testare i più avanzati prodotti
di automazione domestica che permettono, anche a
utenti con gravi handicap, un alto livello di autonomia,
la gestione dello spazio domestico, il controllo
dell’ambiente e il lavoro a domicilio.
Dopo la fase di valutazione è necessario realizzare
uno specifico studio-progetto di adattamento del
domicilio e consigliare all’utente un certo numero
di operatori-imprese in grado di eseguire i lavori
edili, di fornire gli arredi per attrezzare gli spazi, di
eseguire l’installazione degli apparati di automazione
domestica ritenuti necessari.
I risultati di questa parte del lavoro verranno poi
organizzati in una banca dati informatica che offrirà
informazioni su normative, dimensionamenti,
attrezzature, arredi, impianti speciali, ecc.
Gli utenti al termine o durante il periodo di
soggiorno potranno accedere alle informazioni
contenute nella banca dati ed in tal modo, partendo
dalla propria esperienza, potranno avere riferimenti
e coordinate precise per realizzare ex novo o
ristrutturare il proprio spazio domestico.
15
Progetto di un centro di ricerca di
design per gli anziani: DAS – Design for
the Ageing Society
Project of a research design centre for
elderly people, DAS – Design for the
Ageing Society
Consorzio POLI.Design
Gruppo di ricerca
Research group
Francesco Trabucco
Giuliano Simonelli
Francesco Zurlo
Francesca Tosi
Marco Maiocchi
Silvia Ferraris
Sabrina Muschiato
Maria Rosaria Scelsi
Anno di avvio attività
Beginning of activity
2005
Centro DAS - Design for the Ageing Society
DAS Centre - Design for the Ageing Society
Il Consorzio POLI.Design – Consorzio del
Politecnico di Milano, ha avviato una nuova
iniziativa: la costituzione di un Centro finalizzato
alla produzione, raccolta, promozione, sviluppo e
divulgazione di conoscenze, competenze e progetti
sul tema del design per l’Ageing Society.
Il Centro si chiama DAS (Design for the Ageing
Society).
L’invecchiamento della popolazione e l’influenza
del fenomeno sul mercato produttivo di beni di
Consorzio POLI.Design – Consortium of the
Politecnico di Milano, promotes a new initiative:
the setting up of a Centre aimed at the production,
collection, promotion, development and spreading
of knowledge, expertise and projects with reference
to design for the Ageing Society. The name of the
centre is DAS (Design for the Ageing Society).
The ageing of population and the influence of this
phenomenon on the productive market of consumer
goods is the topic of interest for the development
16
consumo è stato scelto come tema di interesse per
lo sviluppo di ricerche finalizzate all’innovazione
del prodotto industriale dedicato alla particolare
utenza di anziani vitali, che presenta nuove esigenze
nello svolgimento delle normali attività della vita
quotidiana.
In Europa, e soprattutto in Italia, il fenomeno
dell’invecchiamento della popolazione avrà una
grande influenza sul mercato di tutti i prodotti
d’uso comune, che dovranno essere adatti a questa
fascia sempre più vasta, che si prevede sarà attiva,
qualificata, attenta alla qualità, dotata di disponibilità
economiche e con un alto grado di scolarità e un
sempre più sviluppato interesse verso l’utilizzo di
prodotti ICT.
La possibilità di sviluppo dell’industria italiana,
attiva nei diversi settori produttivi (già attivi sul
tema anziani e non), costituisce l’obiettivo primario
per la promozione di progetti di ricerca, teorica e
applicata, utili alle aziende per l’incremento della
competitività e per l’apertura verso nuovi mercati.
Il design per l’Ageing Society dovrà, quindi, essere
orientato a sensibilizzare il settore produttivo e
gli enti pubblici interessati verso le esigenze e le
potenzialità di questa nuova utenza, sia al fine di
innescare processi di innovazione utili allo sviluppo
economico, sia per concorrere all’incremento della
qualità della vita della nostra società.
POLI.Design ha proposto, quindi, la creazione di
un Centro che organizza e promuove la ricerca nel
campo del design per l’Ageing Society, mettendo in
relazione Università e Centri Ricerca da una parte,
aziende pubbliche e private dall’altra, affinché siano
informate sulle problematiche e sulle opportunità
che questo fenomeno comporta così da esplorare la
possibilità di convergenze d’interessi.
Il principio al quale si ispira il Centro DAS è che
la terza età è una nuova, diversa, straordinaria
opportunità della vita e non una condizione di
handicap fisico e psicologico.
Obiettivo primario del Centro DAS è l’organizzazione
di una rete stabile di rapporti tra il mondo della
ricerca scientifica, le imprese e gli Enti pubblici,
a livello nazionale e internazionale, al fine di
sviluppare ricerche finanziate da enti pubblici e
privati, che studino le problematiche inerenti il
Design per l’Ageing Society inteso come disciplina
of research aiming at the innovation of industrial
production dedicated to special users, the vital
elderly, who present new requirements while
carrying out their usual daily activities.
In Europe, above all in Italy, the phenomenon of
an ageing society will have a great influence on the
market of all commonly-used products, which will
be expected to be suitable for this growing group of
people who will be active, qualified, quality-oriented,
endowed with economic means and a high level of
education and an ever-increasing interest in the use
of ICT products.
The possibility of development of Italian industry,
which is active in diverse productive sectors
(including that of the elderly and non-elderly), is
the primary objective for the promotion of projects
of theoretical and applied research, useful to the
increased competitiveness of companies and the
opening of new markets.
Therefore, the Design for the Ageing Society will be
oriented
towards awakening the interest of productive sector
and public bodies in the needs and potentialities of
new users, with the aim of triggering useful processes
of innovation for economic development and of
contributing to the improvement of quality of life in
our society.
The Consortium proposes, therefore, the creation
of a Centre that organizes and promotes research in
the field of the Ageing Society, by linking universities
and research centres on the one hand, and public
and private companies on the other, in such a way as
to be informed about problems and opportunities
raised by such phenomena in order to explore the
possibility of converging interests.
The principle that inspires the DAS Centre is that
the “third age” is new, different, an extraordinary
opportunity of life and not a condition of physical
and psychological handicap.
The first objective that DAS Centre has set itself is
the organization of a steady network of relations
among the world of scientific research and
companies and public bodies, both on a national and
international level; its aim being to develop research
financed by public and private bodies that study the
questions regarding Design for the Ageing Society
intended as a discipline in the thematic areas of
17
nelle aree tematiche del prodotto, del servizio,
dell’ergonomia, della comunicazione, ecc.
Inoltre il Centro DAS promuove il tema del design
per l’Ageing Society presso enti pubblici e istituzioni
sottolineandone problematiche e opportunità
strategiche al fine di promuovere progetti di ricerca e
attività di sensibilizzazione di aziende ed enti.
product, service, ergonomics, communication, etc.
Moreover, the DAS Centre promotes the topic of
design for the Ageing Society at public bodies ad
institutions and underlines the questions involved
and its strategic opportunities with the aim of
promoting research projects and awareness-raising
activities at companies and institutions.
Le attività del Centro
DAS Centre activity
Il Centro DAS promuove:
- attività di ricerca di base;
- attività di ricerca applicata/progettuale;
- attività formativa;
- attività divulgativa.
Il Centro DAS promuove, oltre ad attività di
ricerca, anche attività seminariali e convegni,
iniziative editoriali di divulgazione e programmi
di formazione sulle problematiche del design per
l’Ageing Society, favorendo la diffusione presso
l’opinione pubblica delle problematiche stesse e delle
attività del Centro.
Le attività di ricerca sviluppate dal Centro
DAS si avvalgono delle qualificate competenze
interne al Politecnico di Milano, e in particolare
al Dipartimento INDACO, insieme alle aziende,
associazioni ed enti facenti parte del Centro DAS
allo scopo cooptate.
Inoltre il DAS si avvale dei laboratori già esistenti
presso INDACO come: PUL (Product Usability
Lab), Materiali e Design, MAST (Merceologia
Analisi Settoriale), Lab Allestimenti, Lab Colore,
Lab Foto, Lab Luce, Lab Modelli, RAPI.Labo
(requisiti Ambientali prodotto Industriale), Virtual
Prototyping, Sistemi e Componenti per l’Edilizia.
Al di là della distribuzione aperta a tutti di risultati
di base e specifici, il Centro organizza le attività di
ricerca precompetitiva con la cooperazione degli
iscritti, che hanno a disposizione l’interezza dei
risultati.
Il Centro organizza e distribuisce corsi formativi
su temi a calendario o su richiesta, gratuiti per gli
iscritti o a pagamento per esterni
Il Centro organizza ricerche ad hoc su richiesta, a
pagamento.
Il Centro DAS si avvale di collaborazioni da
parte di ricercatori, docenti, professionisti di
elevata competenza e di Enti esperti del settore.
The DAS Centre promotes:
- basic research
- applied/project research
- education
- public awareness
The DAS Centre promotes, in addition to research
, seminars and conventions, publishing initiatives
aimed at the general public and educational
programmes regarding design for the Ageing Society,
and favours the public dissemination interests and
activities.
The research developed by the DAS Centre makes
use of qualified experts at the Politecnico di Milano,
(the INDACO
Department in particular), together with companies,
associations and bodies involved in DAS and coopted for that reason.
Furthermore, the DAS Centre makes use of existing
laboratories at INDACO such as: PUL (Product
Usability Lab), Materiali e Design, MAST
(Merceologia Analisi Settoriale), Lab Allestimenti,
Lab Colore, Lab Foto, Lab Luce, Lab Modelli, RAPI.
Labo (requisiti Ambientali prodotto Industriale),
Virtual Prototyping, Sistemi e Componenti per
l’Edilizia.
Apart from the distribution of basic and
specific results, the Centre organizes activities of
precompetitive research with the cooperation of
enrolled who have at their disposal the totality of
results.
The Centre organizes and distributes courses about
previously established or on-demand topics, free of
charge for those enrolled at the Centre, or at a cost
for those who are external.
The Centre organizes on-demand and ad-hoc
research on payment.
The DAS Centre makes use of collaborations with
researchers, professors, highly-skilled professionals
18
Il coinvolgimento, nei diversi progetti, di esperti
in discipline medico-scientifiche (già contattati e
afferenti al Centro DAS o chiamati in causa nel caso
di necessità particolari) garantisce l’alto livello di
approfondimento delle diverse problematiche insite
in ogni progetto di ricerca.
and Bodies with expertise in this sector.
The involvement of experts in medical-scientific
disciplines in the different projects (already
contacted and belonging to the DAS Centre or
recruited in case of particular necessities)
guarantee a high level of investigation of the
different problems involved in each research project.
19
OMS - Città Sane e Healthy Urban
Planning a Milano
Politiche urbane per la salute della città
WHO - Healthy Cities and Healthy
Urban Planning in Milan
Urban policies for health in the city
Dipartimento di Architettura e Pianificazione
Gruppo di ricerca
Research group
Alessandro Balducci
Paola Bellaviti
Elisa Pozzoli
Antonella Bruzzese
Giuliana Costa
Pietro Lembi
Francesco Minora
Anno di avvio attività
Beginning of activity
2000
Cooperazioni nazionali e internazionali
National and international collaboration
Direzione Centrale Pianificazione Urbana e
Attuazione, Parma
Comune di Milano -Direzione Centrale Servizi Socio
Sanitari - Programma Città Sane-OMS
Centre for Urban Health – WHO Regional Office for
Europe, Copenhagen, Danimarca
Il Programma Città Sane (Healthy Cities) viene
lanciato dall’Organizzazione Mondiale della Sanità
nel 1986 con l’obiettivo di migliorare le condizioni
di salute della popolazione europea assicurando
l’accesso a servizi sanitari di buona qualità, ma
anche mobilitando a livello locale, nei contesti
urbani, soggetti sociali privati e pubblici, singoli e
collettivi, al fine di costituire un movimento per
accelerare il processo di promozione della salute.
Il Programma Città Sane nasce come attuazione del
concetto di salute proposto dall’atto di costituzione
20
The Healthy Cities Programme was launched by the
World Health Organisation in 1986, with the objective
of improving conditions of health for the European
population, by ensuring access to high quality
health services, and also by increasing the awareness
of the various social institutions involved in the
urban context, whether private or public, individual
or collective, in order to generate a movement
accelerating the health promotion process.
The Healthy Cities Programme was created as
the implementation of the concept of health
dell’Organizzazione Mondiale della Sanità (1948)
e ripreso dalla Carta di Ottawa (1986): la salute è
“una condizione di completo benessere – fisico,
sociale e mentale - e non solo l’assenza di malattia”,
condizione a cui concorrono, insieme ai fattori
genetici, fattori economici, sociali e ambientali.
A partire dal 1988 questa strategia viene enunciata
dall’OMS anche nei documenti programmatici
“Obiettivi della salute per tutti”.
Sulla base di questa concezione il programma Città
Sane dell’OMS assume come temi centrali la salute e
la qualità della vita, che vengono perseguite tramite:
- la costruzione di forti sinergie fra le politiche della
salute e altre strategie chiave cittadine, in particolare
quelle riferite al territorio, fra le quali Agenda 21 locale;
- un processo di sviluppo fisico ed economico della
città che sia attento all’equità, alla sostenibilità e
all’implementazione del capitale sociale;
- l’empowerment e la partecipazione dei cittadini
singoli o organizzati al dibattito pubblico sulle scelte
per la città.
La salute e la qualità della vita diventano, dunque,
un outcome non più solo individuale ma sociale,
l’esito di una sfida lanciata ai territori urbani
dalla globalizzazione, dall’esclusione sociale, dalla
povertà e multiculturalità: “La città sana è quella
che costantemente crea e migliora i contesti fisici
e sociali ampliando le risorse della comunità che
permettono ai cittadini di aiutarsi a migliorare tutti
gli aspetti della vita e a sviluppare al massimo il
proprio potenziale”.
Il progetto Healthy Urban Planning nasce nell’ambito
della Terza Fase (1998-2002) del Programma Città
Sane OMS, quando comincia a emergere come
una priorità lo sviluppo di principi e pratiche di
pianificazione urbana per una città sana.
L’obiettivo principale del progetto Healthy Urban
Planning è quello di focalizzare il centro di
attenzione della pianificazione urbanistica sulla
salute e la qualità della vita.
I principi chiave dell’approccio “Città Sane”
alla gestione urbana sono: equità, sostenibilità,
cooperazione intersettoriale, coinvolgimento della
comunità, azione internazionale e solidarietà.
Milano è stata la città leader del City Action Group
sull’HUP nel triennio 2000-2002 e riconferma questo
ruolo nella nuova fase del programma Città Sane OMS.
envisaged by the constitution of the World Health
Organisation (1948) and then taken up again by the
Ottawa Charter (1986): health is “a state of complete
physical, social and mental wellbeing, and not merely
the absence of disease or infirmity”, a condition
determined by economic, social and environmental
factors, as well as by an individual’s genetic
constitution. From 1988 on, this policy was detailed
by the WHO in “Health 21”.
According to this concept, the WHO Healthy Cities
Programme put health and quality of life as core
issues. The following strategies are pursued to attain
these objectives:
- the construction of powerful synergies between
health policy and other key strategies in the city, in
particular those concerning the territory – amongst
which the local Agenda 21;
- a process of physical and economic development
of the city, privileging equity, sustainability, and the
implementation of social capital;
- the empowerment and participation of individual
citizens, or groups organised for public debates
regarding urban policy.
Health and quality of life therefore represent an
outcome that is no longer just individual, but also
social, the result of a challenge launched in the urban
arena regarding the themes of globalisation, social
exclusion, poverty, and multiculturality:
“A healthy city is one that continuously creates and
improves physical and social contexts enhancing the
community resources that enable citizens to help
themselves in improving all aspects of their lives and
attaining their maximum potential”.
The Healthy Urban Planning project emerged during
the Third Stage (1998-2002) of the WHO Healthy
Cities Programme, when the development of “urban
planning for a healthy city” principles and practice
began to take on priority importance.
The main objective of the Healthy Urban Planning
project is that of focusing attention on the importance
of urban planning to health and quality of life.
The key principles of the “Healthy Cities” approach
to urban management are: intersectoral cooperation,
community involvement, international action and
solidarity.
Milan was the city leading the HUP City Action
Group for the three-year period 2000-2002, and this
21
Per dare concretezza all’impegno internazionale
l’Amministrazione promuove un programma di
ricerca-intervento condotto in collaborazione fra
l’ufficio Città Sane della Direzione Servizi Socio
Sanitari, la Direzione Pianificazione Urbana
e Attuazione PR del Comune di Milano e il
Dipartimento di Architettura e Pianificazione del
Politecnico di Milano.
Il programma di ricerca-intervento di Healthy
Urban Planning a Milano sperimenta a livello locale
un approccio intersettoriale e partecipativo alla
pianificazione urbana.
Per promuovere un maggior livello di salute,
benessere e qualità della vita nei contesti urbani
è infatti necessario, come indica l’OMS, integrare
le politiche e le azioni dei molteplici settori
di intervento amministrativo - in particolare
urbanistico, ambientale, socio-sanitario - e dei
diversi soggetti sociali - decisori, professionisti di
tutte le categorie, privati, mondo accademico e della
ricerca, cittadini organizzati - che operano sulla/nella
città.
A partire dall’anno 2005 il progetto Healthy
Urban Planning si concentra tra l’altro su alcune
dimensioni legate alla fruizione e accessibilità
degli spazi urbani e dei manufatti architettonici, in
particolare attraverso la ricerca e la conduzione di
alcuni progetti pilota riguardanti la popolazione
anziana più fragile e con diversi gradi di
autosufficienza.
Occuparsi degli spazi di vita degli anziani significa
anche occuparsi, attraverso questa popolazione che
presenta tratti alternati di fragilità e di competenza,
delle più generali situazioni di abitanti fragili,
secondo una prospettiva di design for all o di utenza
ampliata.
Occuparsi di Healthy Ageing significa affrontare
il tema di una convivenza possibile senza paura,
cercando di progettare spazi sicuri prima di tutto
perché abitati; ripensare alle modalità in cui la
malattia e l’esperienza di fragilità e limite trovano
posto nelle nostre città.
Significa prima di tutto porre attenzione, nella
progettazione e nella pianificazione, al far sì che
l’ambiente fisico e sociale siano il meno possibile
causa di tale fragilità ma, anzi, supporto alle capacità
di ciascuno di ri-adattamento e libera scelta.
22
role has been confirmed for the new phase of the
WHO Healthy Cities Programme.
In order to provide solid support for this international
commitment, the administration promotes a
research and operations programme by means of
cooperation between the Healthy Cities Office of the
Central Direction for Social and Health Services, the
Central Direction for Urban Planning and Planning
Implementation Department of the Municipality
of Milan and the Department of Architecture and
Planning of the Politecnico di Milano.
The Healthy Urban Planning research and
operations programme in Milan represents a local
test of an intersectoral and participative approach
to urban planning. In order to promote higher
standards of health, wellbeing and quality of life in
urban contexts, it is necessary, as indicated by WHO,
to coordinate the policy and actions of the various
sectors of administrative government – in particular,
city planning, environment, social and health
services – and the various social subjects – decisionmakers, professionals of all categories, private
citizens, the world of learning and research, citizen
organisations – who work in and on the city.
Starting from 2005 the Healthy Urban Planning
programme in Milan is specifically focused also
on the issue of accessibility of buildings and urban
spaces, in particular through research activities and
pilot projects on frail older people with different
degrees of self sufficiency.
Studying the lifestyles of the elderly means
considering more generalised situations of frail
inhabitants, by examining this population group
with its alternate features of frailty and skill,
according to a design for all or broad user base
approach.
Studying Healthy Ageing means looking at the
subject of a possible living together without fear,
trying to design spaces that are safe primarily
because they are inhabited. It means reformulating
the ways in which illness and the experience of frailty
and limits exist in our cities.
Above all it means ensuring, in design and planning,
that the physical and social environment contributes
to this weakness as little as possible and that, on
the contrary, it facilitates everyone’s capacity for readaptation and freedom of choice.
La ricerca-azione si svolge su scale diverse:
- i quartieri;
- le abitazioni;
- gli spazi intermedi.
L’approccio adottato, a cavallo tra politiche sociali,
politiche urbanistiche e progettazione architettonica,
pone al centro della riflessione e della progettazione
l’adattamento reciproco delle persone con il contesto
(fisico e sociale).
The research and planning action is carried on at
different scales:
- neighbourhoods;
- homes;
- intermediate spaces.
The adopted approach, integrating social policies,
urban planning and architecture, focuses on the
reciprocal adaptation between persons and physicalsocial context.
23
Adeguamento di complessi
monumentali a destinazione pubblica:
procedure di analisi e integrazione con il
progetto di conservazione
Adaptation of monumental complexes
to public destination: procedures
of analysis and integration with the
conservation plan
Dipartimento di Architettura e Pianificazione
Gruppo di ricerca
Research group
Alberto Grimoldi
Davide Del Curto
Luca Valisi
Arturo Sandrini
Anno di avvio attività
Beginning of activity
2006
Cooperazioni nazionali e internazionali
National and international collaboration
Comune di Mantova
Sito web
Website
http://www.netdiap.polimi.it/lab/diagnostica
Affrontare il progetto di recupero e riuso di un
edificio antico a destinazione pubblica significa,
necessariamente, confrontarsi con le leggi e le
normative in tema di sicurezza antincendio e di
accessibilità da parte delle persone disabili; garantire
a queste persone la possibilità di visitare e conoscere
in tutta sicurezza un luogo o un edificio pubblico,
oltre che segno di civiltà, è infatti un dovere delle
società democratiche e aperte alle diversità.
L’analisi dell’accessibilità e messa a norma del
Palazzo del Podestà di Mantova rappresenta un
24
The relationship between law and conservation
sometimes has been proposed as arduous
playground in order to the difficulty of employing
the parameters defined for buildings of new
construction. It is possible to study alternative
solutions able to satisfy the standards of fireemergency and accessibility according to an
approach performance-oriented.
To recover a historical building to public destination
primarily means to evaluate its structure in terms
of fire emergency and accessibility; law up-dating
1.
Palazzo del Podestà e della
Ragione su Piazza Erbe
Palazzo del Podestà and
Palazzo della Ragione side
Piazza Erbe
caso critico nell’ambito della progettazione di spazi
pubblici: l’accessibilità negli edifici storici spesso si
scontra con la conservazione e la tutela degli aspetti
stratigrafici, formali nonché artistici.
Lo studio dell’adeguamento - che si vale del
contributo essenziale degli architetti Marco Cofani,
Verena Frignani, Angelo Landi - è iniziato con
un’analisi della normativa vigente in materia di
abbattimento delle barriere architettoniche, che
spazia dalla legislazione nazionale a quella regionale
e locale.
In secondo luogo sono state confrontate le
disposizioni normative con la struttura dell’edificio
e le destinazioni previste: spesso gli aspetti
normativi condizionano anche in maniera radicale
il progetto di riuso di un edificio, tanto da definire
implicitamente le possibili destinazioni d’uso.
L’adeguamento normativo dell’edificio risponde
quindi alla necessità di rendere accessibile ai
diversamente abili la maggior parte degli ambienti
destinati al pubblico, senza però compromettere le
strutture dell’edificio né lo svolgimento dei percorsi
interni.
2.
Lo Scalone d’Onore nel Cortile
dei Lattonai, ad oggi unico
accesso al complesso
The Scalone d’Onore inside
Cortile dei Lattonai, still today
the only entrance to the palace
represents one of the main phases of the recovery
plan.
The research, realised with the contribution of
architects Marco Cofani, Verena Frignani, Angelo
Landi, aimed at integrating the plan of conservation
with the accessibility and fire-emergency
requirements by means of relief procedures and
project indications for the restoration - also
functional - of the spaces and the material document
in its full integrity.
The Palace of the Podestà in Mantova, built since XII
century and today mainly abandoned, constitutes an
interesting case of study for its importance regarding
the city context, for the difficulty of its medieval
structure and for its typical character closed to the
tradition of the Broletti.
The national and local normative in matter of
barrier-free architecture has been verified directly
on the building with a procedure of integrated relief
and analysis based on the method of Raumbuch.
This way of analysis supplies the information for
a proper use of the normative instruments, for the
evaluation of compatible destinations and for the
25
3.
Analisi dei percorsi di fuga in
caso d’incendio
Layout of protected paths in
fire case
4.
Tracce cinquecentesche di
affreschi nell’Arengario
Sixteenth century frescoes
traces inside the Arengario
Il progetto di riuso del Palazzo del Podestà, nello
specifico, prevede di riordinare e collegare la
disgregata distribuzione verticale interna, con
l’ausilio di servoscale, scale a norma e un ascensore
che nel loro insieme permettono ai disabili e
parzialmente abili di poter accedere a oltre l’80%
degli ambienti a destinazione pubblica.
definition of the projects.
Presently the positioning of vertical and horizontal
connections in the four main parts that define
the complex has been in course of definition: the
“Arengario-Masseria”, the “Palatium Vetus”, the
“Palatium Novum” with the “Torre delle Ore” and
the so-called “fancelliano” facing Piazza Erbe.
A ring course connects these blocks and defines a
double possibility of escape in fire case, while the
existing vertical connections have been integrated by
a new stairs tower that reaches all the seven levels.
The new elevator will take place between the
Palazzo del Podestà and the “Palazzo della Ragione”
- towards Piazza Erbe - in order to extend the
requirement of accessibility to both buildings.
The definition of punctual solutions has allowed to
get over architectural features that denies accesses
to the disabled, and to guarantee conditions of
availability everywhere.
Punctual solutions, such as stairlifts, low slopes
and little transformations of the existing stairs,
reached a complete barrier–free plan; the definition
of protected paths allows to better integrate the
Riferimenti normativi
1.Decreto Legislativo del 9 gennaio 1989, n. 13:
Disposizioni per favorire il superamento e
l’eliminazione delle barriere architettoniche negli
edifici privati.
2.D. M. LL.PP. 14 giugno 1989, n. 236: Prescrizioni
tecniche necessarie a garantire l’accessibilità,
l’adattabilità e la visibilità degli edifici privati e
di edilizia residenziale pubblica sovvenzionata e
agevolata, ai fini del superamento e dell’eliminazione
delle barriere architettoniche.
3.Decreto del Presidente della Repubblica 24
luglio 1996, n. 503: Regolamento recante norme per
26
5.
Schedatura di rilievo con il
metodo Raumbuch
Relief tables extracted from
the Raumbuch
l’eliminazione delle barriere architettoniche negli
edifici, spazi e servizi pubblici”.
4. Legge Regionale del 20 febbraio 1989, n. 6:
Norme sull’eliminazione delle barriere architettoniche
e prescrizioni tecniche di attuazione.
requests of accessibility with the dispositions for the
emergency in case of fire and for their satisfaction,
where possible, alternative solutions with equivalent
safety level have been employed.
5.Regolamento per l’arredo e il decoro urbano del
Comune di Mantova.
27
Sistemi robotici autonomi per persone
con impedimenti motori
Autonomous robotic systems for people
with motor disabilities
Dipartimento di Elettronica e Informazione
Gruppo di ricerca
Research group
Anno di avvio attività
Beginning of activity
Andrea Bonarini
Nicola Gatti
Matteo Matteucci
Bernardo Dal Seno
Davide Migliore
2003
Sito web
Website
http://www.airlab.elet.polimi.it/Projects/RoboticsFo
rDisablePeople/
L’attività è incentrata sull’utilizzo delle tecniche e
delle tecnologie fornite dalla robotica autonoma per
sopperire ai limiti di persone con impedimenti motori.
In particolare, la robotica permette la realizzazione
di tre servizi ben distinti: manipolazione mediante
braccio robotico, navigazione mediante robotica
mobile e automazione della casa mediante domotica.
All’interno dell’attività questi tre servizi vengono presi
in considerazione e sviluppati ponendo particolare
attenzione ai problemi delle persone diversamente
abili. Lo sviluppare ausili robotici autonomi fruibili
28
The activity is focused on the employment
of techniques and technologies provided by
autonomous robotics to support people with motor
disorders. In particular, robotics can be employed
in three different applicative areas: manipulation by
robotic arm, navigation by mobile robots, and home
automation by domotics. Within the activity these
three areas are taken into account and developed
putting a relevant attention to the problems of
disabled people. The target is twice. On one hand
the target is the development of robotics tools
da persone diversamente abili porta l’attività ad avere
un duplice obiettivo: da un lato l’obiettivo di produrre
uno strumento che sia quanto più potente nel fornire
capacità alla persona; dall’altro lato l’obiettivo di
rendere quanto più accessibile l’uso dello strumento
alla persona diversamente abile. Ultimo aspetto di
interesse, e allo stesso tempo di originalità rispetto allo
stato dell’arte, riguarda l’integrazione dei tre servizi
offerti e la costruzione di una unica interfaccia per il
loro controllo.
Il cuore dell’attività è uno strumento, denominato
POLI-TAM (Politecnico-Tetraplegic Arm
Manipulator), costituito da una carrozzina motorizzata
munita di braccio robotico.
Lo scenario di utilizzo prevede una persona su
carrozzina che con semplici comandi possa comandare
il braccio robotico per poter prendere e manipolare
oggetti che si trovano nella casa (ad esempio afferrare
un bicchiere d’acqua), possa muoversi liberamente
nell’ambiente (ad esempio andare in cucina dove
si trova la bottiglia d’acqua), e possa comandare i
dispositivi distribuiti nell’ambiente (ad esempio aprire
la porta della cucina). In tale scenario i tre servizi sono
fortemente connessi tra loro, ad esempio richiedendo di
prendere il bicchiere d’acqua il robot sfrutta i tre servizi
per raggiungere l’obiettivo richiesto dall’utente.
Il lavoro svolto finora si è focalizzato sul servizio
di manipolazione per renderlo di più immediato
utilizzo. L’obiettivo specifico consiste nello sviluppare
un sistema di controllo del manipolatore facilmente
comandabile da parte dell’utente.
I comandi che l’utente deve impartire per controllare
il movimento del braccio robotico devono essere
minimali in quanto più comandi sono necessari
per compiere una particolare azione, maggiore è il
tempo richiesto, maggiore è la probabilità di errore e
maggiore è lo sforzo richiesto alla persona. Inoltre è
necessario avere comandi ad alto livello di astrazione in
modo che l’utente non debba più controllare i singoli
movimenti del braccio, operazione lunga e complessa,
ma fornisca degli obiettivi che vengono interpretati e
raggiunti in automatico dal sistema di controllo (un
esempio di comando ad alto livello può essere “dammi
da bere”). Dopo aver sviluppato un’interfaccia vocale,
attualmente si sta sviluppando il sistema di visione per
permettere al sistema di controllo di riconoscere oggetti
nell’ambiente e poterli manipolare in piena autonomia.
that provide effective functionalities to the people;
on the other hand the target is to make accessible
the control of the robotics tools for the people.
Another interesting aspect, novel in the state of the
art, concerns the integration of the three provided
services (manipulation, navigation, and domotics)
and the development of a specific human-robotic
interface for the robot control.
The core of the activity is a specific tool, named
POLI-TAM (Politecnico-Tetraplegic Arm
Manipulator), made up of a motor wheel-chair
and a robotic manipulator. The scenario that we
have in our mind is depicted by a person set on
the whell-chair that by simple commands sent to
the robot can control the robotic arm to catch and
manipulate objects in the home (e.g., to catch a glass
of water), to move in the home (e.g., to reach the
kitchen where the bottle of water is), and to control
devices spread in the home (e.g., to open the door
of the kitchen). Where the three services are strictly
connected, e.g., if the user asks for a glass of water,
then the robot can coordinate the three services to
achieve the given goal.
The research accomplished up to now focused on
the manipulation service in the attempt to make
this easy to be used. The target is to develop a
control system of the manipulator that can be easily
controlled by the user. In particular, we require
that the commands the user sends to the robot be
minimal and defined at a high level of abstraction.
The minimality requirement lays in the fact that
larger the number of commands required longer
the time to achieve the goal, higher the mistake
probability, harder the efforts of the user. The
need of high abstraction level commands is a
consequence of the minimality: the user does not
control the singular movement of the robotic arm,
but sends macro actions that will be autonomously
traslated and decomposed by the control system
(e.g., the user can say: “give me a glass of water”).
Currently, having developed a vocal interface, we are
developing the vision system to allow the control
system to recognize objects in the environment and
manipulate them in full autonomy.
29
SLURP! Semplicemente Liberi: Usabili e
Riconfigurabili Posate
SLURP! Simple Living: Usable and Reshaped knives, forks and sPoon
Dipartimento di Bioingegneria
Gruppo di ricerca
Research group
Giuseppe Andreoni
Dipartimento Indaco
Maximiliano Romero
Fondazione Politecnico
Manuela Pizzagalli
Anno di avvio attività
Beginning of activity
2005
Cooperazioni nazionali e internazionali
National and international collaboration
Consorzio Premax, Premana (LC)
Associazione Compagnia delle Opere, Lecco
L’assunzione del cibo rappresenta per l’uomo non
solo una attività fondamentale per la sua sussistenza
ma anche un momento di soddisfazione, piacere e
socialità.
La possibilità di mangiare in maniera autonoma,
libera e confortevole è certamente un elemento
qualificante e abilitante in un contesto di vita
quotidiana.
Purtroppo la presenza di determinate patologie
neuromuscolari può influenzare negativamente e
in modo significativo questa attività obbligando il
30
Eating represents for man not only a fundamental
activity for his existence but also a moment of
satisfaction, pleasure and socialization.
The possibility to eat in an independent, free and
comfortable way is an important element in
achieving a good quality of life.
Unfortunately some neuromuscular pathologies can
prevent this, thereby obliging the subject to ask for
help. This causes critical psychological repercussions
(sadness, frustration, depression, etc).
At the same time, the family and in general, the
disabile a chiedere aiuto e assistenza con un forte
danno di tipo psicologico.
A ciò si accompagna un forte dispendio di risorse da
parte di coloro che se ne occupano, le famiglie in primis
ma anche il sistema socio sanitario che deve prevedere,
nelle strutture che ospitano tali soggetti, la presenza di
personale deputato ad assisterli durante il pasto.
Per rispondere a tali esigenze, che in futuro
assumeranno sempre più rilevanza a causa del
progressivo invecchiamento della popolazione e dei
progressi della medicina, nasce il progetto SLURP!
(Semplicemente Liberi: Usabili e Riconfigurabili
Posate).
Scopo del progetto è studiare il rapporto fra
funzione motoria, antropometrica e funzionale del
soggetto (anche nel quadro della progressività di
una patologia) e il design degli strumenti deputati al
consumo del cibo con l’obiettivo di massimizzarne
l’efficacia funzionale, nell’ottica di una vita
indipendente.
Attualmente gli strumenti utilizzati per il consumo
del cibo e delle vivande sono le posate (coltello,
forchetta, cucchiaio) e i bicchieri a cui si aggiungono
accessori per la presentazione (piatti, vassoi, ecc.) e la
preparazione del pasto (taglieri, apriscatole ecc.).
Nel caso di persone con particolari disabilità questi
oggetti di vita quotidiana, sviluppati e progettati
per essere adoperati da utenti senza particolari
difficoltà motorie o psicologiche, possono non essere
utilizzabili in modo utile e sicuro.
Nel caso, ad esempio, di soggetti affetti da artrite le
elevate difficoltà nella presa, nella movimentazione
del polso e delle dita nonché la limitata forza di
serraggio rendono impossibile stringere le dita
attorno a impugnature sottili, che sfuggono. Altra
problematica fondamentale che concerne la possibilità
di mangiare in maniera indipendente è il possibile
tremore delle mani: in questo caso oltre alla difficoltà
di portare il cibo raccolto alla bocca senza perderlo
nel percorso, il soggetto potrebbe ferirsi a causa degli
spigoli vivi delle forchette e delle lame dei coltelli.
I temi a cui brevemente si è accennato sono tra
quelli che maggiormente si riscontrano nel mondo
a cui ci riferiamo. Lo scenario è tuttavia molto più
complesso e variegato a causa della sua estrema
complessità: ogni persona disabile ha infatti
specifiche esigenze, limiti ma anche e soprattutto
healthcare system must dedicate huge resources to
patient assistance during mealtimes.
In order to meet these important needs, which
in the future - due to the progressive aging of the
population and medical progress - will assume everincreasing importance, “SLURP!” was created
(Semplicemente Liberi: Usabili and Riconfigurabili
Posate).
The objective of the project is to study
the relationship between motor function,
anthropometric characteristics and functional
capability of the subject (within the context of
disease progression) and the design of eating
and serving utensils in order to maximize their
effectiveness for an independent life.
Traditional eating and serving instruments are:
cutlery (knives, spoons, forks), glasses, dishes and
certain food preparation accessories (chopping
boards, can openers, etc.).
For people with particular disabilities these “objects
of daily life”, designed for the “average” person,
cannot be usable in an useful and safe way.
For example gripping the fork haft with sufficient
force is often difficult for people affected by
arthritis. Another problem may arise from tremor:
in this case over and above the psychological
discomfort there exists the serious possibility for the
subject to hurt themself with the sharp edge of the
cutlery. These are only a few examples, but in reality
these types of situations are many and varied: every
disabled person has in fact specific requirements,
inabilities but also potentialities that must be
exploited to the full in order to guarantee a free and
enjoyable life.
Unfortunately the eating and serving utensils
currently available fail to meet the needs of
persons with particular motor problems. Mainly
the products on the market, tend in fact to be
an adaptation of standard cutlery to different
requirements without any radical innovation (Figure
1). This the individual has to ask for help to prepare
and consume their meal consequently incurring
problems for themselves (in terms of self esteem,
sense of freedom, etc.) and for their care-giver.
Objectives, materials and methods
The objective of the project is to improve the
31
1.
Alcuni esempi di posate in
commercio
Some examples of cutlery in
commerce
potenzialità che devono poter essere sfruttate al
meglio per garantire una vita serena e libera.
Purtroppo ciò che si rileva attualmente è una
elevata carenza nella progettazione e produzione
di posate specifiche per chi ha particolari problemi
motori. Principalmente, infatti, i prodotti in
commercio tendono ad adeguare le posate standard
alle differenti esigenze, senza ipotizzare soluzioni
radicalmente alternative (Figura 1). Questo si
traduce in una limitata e a volte impossibile
autonomia del disabile durante l’assunzione del cibo
con tutti i problemi a questo connessi (perdita di
autostima, scarsa libertà, impegno di risorse per le
persone/strutture che lo assistono).
Obiettivi del progetto e strategia operativa
Il progetto ha come obiettivo quello di migliorare
e incrementare l’autonomia del disabile durante
l’assunzione del cibo.
A tale scopo sarà sviluppato un iter strutturato che,
a partire dai dati rilevati sul singolo soggetto, guidi
nella scelta della posata più efficace ad assicurargli
autonomia durante i pasti.
32
autonomy of disabled people during mealtimes.
To achieve this a structured protocol will be
developed which, starting from some subject-specific
data and parameters, will determine the choice of
the most effective eating utensils.
The adopted operative strategy is based on the
activity described below (Figure 2).
1. Development of a routine grid for data
acquisition: through interviews, specific
measurements and tests it will be possible to arrive
at a complete and objective description of particular
subject needs and ability. The protocol will be set
up so as to assure homogeneity of the information
collected from different operators.
2. Development of a software for selection of the best
eating utensils: entering the data collected in phase
1, the output of the system is an eating utensil model
able to maximize the specific subject performance.
The proposed model could be immediately available
or easily developed (the software generates a CAD
plan usable in the common numerical control
machines).
3. New eating utensil design: the software could
La strategia operativa che verrà adottata si baserà
sulle attività in seguito descritte (Figura 2).
1.Sviluppo di una griglia procedurale per il
rilievo dei dati di interesse: attraverso domande,
misurazioni e prove specifiche sarà possibile avere un
quadro completo e oggettivo delle necessità e delle
capacità del singolo soggetto. Al fine di assicurare
omogeneità nelle informazioni raccolte da diversi
operatori saranno stabiliti opportuni protocolli atti a
definire in modo quantitativo l’abilità del soggetto.
2.Sviluppo di un software per la selezione della
posata più idonea: inserendo i dati raccolti nella fase
1, il sistema fornirà in uscita il modello di posata
più efficace per il dato soggetto. Questa potrà essere
direttamente disponibile dall’azienda o facilmente
realizzabile in base alla generazione di un modello
CAD, riproducibile tramite macchine a controllo
numerico.
3.Progettazione di nuove posate: il software
permetterà di evidenziare la presenza di eventuali
carenze per ciò che concerne la disponibilità di
dispositivi per una data tipologia di pazienti. In
tal modo sarà possibile individuare nuovi filoni
strategici di ricerca, migliorando e potenziando
così progressivamente l’offerta e i settori di mercato
dell’azienda stessa.
Mediante tale metodologia si seguiranno due linee
di sviluppo di prodotto.
1.Ideazione di un set di posate modulari, di design
tradizionale.
Il singolo utensile verrà ristudiato in funzione delle
specifiche necessità dell’utente in modo da trovare
una soluzione che, partendo dalla forma delle posate
tradizionali per renderne l’estetica simile, riduca
l’impatto psicologico dell’ausilio sul disabile.
Caratteristica saliente del prodotto sarà la sua
estrema modularità in maniera tale da garantire,
attraverso componenti di produzione standard, un
assemblaggio ad elevata customizzazione. In questo
modo sarà possibile, soddisfare sia la necessità
dell’utilizzatore di avere un componente specifico
e su misura sia i bisogni dell’azienda produttrice di
contenere, mediante economia di scala, i costi di
produzione dell’oggetto.
2. Studio di un set di posate a elevata innovazione.
2.
Strategia operativa
Operative strategy
enable any lack in the current tools proposed to be
highlighted.
The ability to identify the correct instruments for
specific disease or subject characteristics will in fact
indicate the direction research should take.
In this way it will be possible to detect new strategic
products, improving and upgrading progressively
the market offer.
In particular two lines of product development are
envisaged.
1. Modular traditional design cutlery
The individual utensil will be examined in function
of the specific user needs in order to identify a new
more effective solution starting from the shape
adaptation of traditional cutlery. The objective is to
increase the performance of the subject reducing, at
the same time, the psychological discomfort (that
can originate using different aid devices at the table).
The main product characteristic will be its extreme
modularity in order to guarantee, assembling
standard elements, its high customization. In this
way it will be possible for the customer to have
33
3.
Esempi di concept
Some concept examples
Obiettivo di questo filone di ricerca-azione è di
ristudiare da principio forma e concetto di posata,
ripensando l’oggetto in termini di funzione, obiettivi
e capacità dell’utente svincolandosi dal classico
stereotipo di forchetta, cucchiaio, coltello radicato
nell’immaginario collettivo (Figura 3).
Questo tipo di approccio è estremamente nuovo,
come accennato, infatti in commercio esistono
posate che sono solo frutto di un adattamento, a
volte inefficace, di quelle tradizionali.
L’obiettivo è estremamente interessante e stimolante
in quanto offrirebbe l’opportunità di ripensare
a oggetti che non hanno mai subito particolari
innovazioni da secoli e potrebbe condurre a
rinnovare il panorama non solo delle persone disabili
ma di tutta l’utenza.
Grazie a questo processo di rinnovamento l’azienda
potrebbe presentarsi sul mercato con beni di qualità
e utilità superiore nonché di elevata esclusività.
Lo stato attuale del progetto: una scommessa
congiunta
Nella prima fase di lavoro il gruppo ha focalizzato
34
tools tailor made for him or her and will enable
the manufacturer to contain the production costs,
thanks an economy of scale.
2. High innovation design cutlery
The objective of this part of research is to explore
eating utensil concepts, rethinking the objects in
terms of function, purposes and free ourselves from
the classic stereotype of fork, spoon, knife rooted
in the collective imagination. This type of approach
is extremely new: in fact the cutlery on the market
is often made from adapting traditional designs
(Figure 3).
This line of products is very interesting because it
offers the opportunity to re-design objects that have
not changed in any meaningful way over the course
of the century.
This strategy could lead to the creation of new
instruments, increasing not only the autonomy of
disabled people but also the general level of comfort
of all the users.
Thanks to this renewal process the company could
offer a new type of product with a high degree of
la sua attenzione su un caso specifico rappresentato
dall’emiplegia (paralisi di una metà del corpo, dovuta
a una lesione della via piramidale di natura centrale).
Per meglio comprendere le problematiche legate
a questo tipo di deficit e le necessità dell’utente
durante il consumo del pasto si sono svolti sia
incontri con medici/terapisti occupazionali di Villa
Beretta, sia prove di usabilità in situ con pazienti
emiplegici.
Attraverso interviste e analisi sperimentali si è così
individuata, quale esigenza prioritaria e non ancora
soddisfatta dalle proposte presenti in commercio, la
necessità di avere uno strumento efficace per tagliare
il cibo e portarlo alla bocca usando una sola mano.
Grazie a un approccio multidisciplinare al problema
(integrante diverse discipline politecniche e
mediche) e alla sinergia e cooperazione tra tutti
gli attori coinvolti si è così progettata, validata
(mediante protocolli strutturati applicati a soggetti
emiparetici) e realizzata una forchetta che taglia in
fase di brevettazione.
Pare opportuno sottolineare come il prodotto
sviluppato, oltre a incrementare l’indipendenza e
la soddisfazione di coloro che a causa di patologie
hanno un solo arto funzionante, possa essere efficace
e utilizzato in diversi contesti, tra cui ad esempio
tutte quelle situazioni in cui, a causa di condizioni
ambientali, si abbia solo una mano disponibile (ad
esempio buffet in piedi).
Il progetto rappresenta un esempio concreto in cui la
ricerca del Politecnico di Milano è a servizio e non a
semplice pagamento. Azienda e Ateneo hanno infatti
scommesso insieme sul prodotto attraverso brevetto
e royalties congiunte sullo stesso.
quality and usefulness thereby increasing its market
competitiveness.
The current state of the project: a joint
investment
In the first phase of the project the group has
focused its attention on a specific case, hemiplegia
(total paralysis of the arm, leg, and trunk on the
same side of the body).
To better understand the range of problems related
to this disease and especially the needs of the
subjects with hemiplegia during the meal time,
meetings with occupational physicians/therapists
of “Villa Beretta” hospital and usability tests with
patients were carried out.
By means of interviews and experimental analysis
the priority need was identified as the necessity to
have a tool which could cut food and bring it to the
mouth using one single hand. This need is yet to be
satisfied by the products currently on the market.
Thanks to a multidisciplinary problem approach
(integrating a range of polytechnic and medical
disciplines) and the cooperation between all the
involved agents in the field an innovative “fork
that cuts” has been designed and tested (applying
a structured protocols to hemiplegic subjects). The
new device is patent pending.
It seems opportune to emphasize that this developed
product, could not only increase the independence
and satisfaction of subjects with specific physical
impairment but could also be effective and usable
in different contexts. For example in every situation
where the user, because of environmental conditions,
has only one available hand (e.g.. a standing lunch).
The project is a concrete example that the
Politecnico di Milano research is a service and not
merely a payment-oriented activity. Consortium
and University have in fact invested together in the
product via a joint licence and royalties.
35
Apprendere & co
Learning & comm
omunicare
munication
38.
HARMONIA: la piattaforma CEFRIEL per la
creazione di portali accessibili
HARMONIA: CEFRIEL’s platform for building
accessible portals
40. Audio tact: accessibilità di immagini per persone
non vedenti
Audio tact: providing enhanced content
accessibility to images for visually impaired users
42. Mais Multilezi: un ambiente adattabile, multicanale
e multimodale per l’e-learning
Mais MultiLezi: an adaptable multichannel and
multimodal environment for e-learning
48. Modelli adattativi per interfacce Uomo-Macchina
accessibili
Adaptive models for accessible Human Machine
interfaces
50. Interfacce Uomo-Macchina Avanzate
Advanced Human Machine interfaces
54.Linguistica computazionale per disabilità di
apprendimento e di comunicazione
Computational linguistics for learning and
language impairements
60. Ambienti virtuali per l’educazione e la
riabilitazione
Virtual reality for education and rehabilitation
HARMONIA: la piattaforma CEFRIEL
per la creazione di portali accessibili
HARMONIA: CEFRIEL’s platform for
building accessible portals
CEFRIEL
Gruppo di ricerca
Research group
Cesare Colombo
Diego Peroni
Giuseppe Gramazio
Anno di avvio attività
Beginning of activity
2004
Cooperazioni nazionali e internazionali
National and international collaboration
Istituto Nazionale Neurologico Carlo Besta, Milano
Ministero del Lavoro e delle Politiche Sociali, Roma
TOROC, Torino
Handitalia, Bergamo
USR, Milano
DG Sanità, Regione Lombardia
La nostra famiglia, Bosisio Parini
Telecom, Milano
Atos-origin, Milano
Protezione Civile, Roma
Sito web
Website
Costruire portali web innovativi e gestirli in
maniera semplice e flessibile
Harmonia è un CMS altamente innovativo pensato
per la creazione di portali web per facilitare
l’accesso alle informazioni presenti in rete sia
ai disabili, sia a dispositivi non convenzionali
(palmari, smartphone, ecc.).
L’innovatività della piattaforma va ricercata non solo
nelle componenti tecnologiche che la costituiscono,
quanto pure nella conformità agli standard per il
web attualmente più diffusi.
38
http://harmonia.cefriel.it
Building and easily managing advanced web portals
Harmonia is a high innovative CMS created to build
web portals aimed to simplifying information access
to people with disability and to non conventional
devices (PDA, Smartphone, etc).
The innovation is both in technology components
and in most attractive web standard conformity.
Keeping in mind that “web for everyone” is our goal,
we have integrated opportunely our experiences to
build a unique CMS:
- Accessibility: Harmonia supports most of assistive
Avendo come obiettivo finale quello di rendere il
web “veramente universale” siamo riusciti a integrare
in modo opportuno le nostre conoscenze e ottenere
un CMS in possesso di requisiti unici.
- Accessibilità: Harmonia supporta tutte le maggiori
tecnologie assistive per la fruizione dei contenuti
web da parte dei diversamente abili. Inoltre, offre
la possibilità di personalizzare l’aspetto delle
pagine web (grandezza e tipo caratteri, contrasto,
impaginazione, temi grafici) migliorando in questo
modo la user experience dell’utente.
- Multicanalità: il framework riesce a offrire una
visualizzazione qualitativamente eccellente su un
dispositivo con molte funzionalità, ma è comunque
in grado di supportare dispositivi dalle capacità
ridotte, per i quali fornisce una presentazione meno
complessa, ma ugualmente efficace e di semplice
interagibilità.
- Multimodalità: Harmonia fornisce la possibilità
di erogare contenuti vocali nell’ottica di migliorare
l’interazione e la fruizione dei contenuti da parte
dell’utente web.
- Conformità agli standard per il web: il rispetto
delle grammatiche formali (XHTML1.1, XSL, XSLT,
XML, CSS2) e delle linee guida del W3C-WAI in
materia di accessibilità, fanno di Harmonia uno
strumento estremamente all’avanguardia per la
creazione e gestione di contenuti web.
- Licenza aperta: uno degli obiettivi del CEFRIEL è
la diffusione di soluzioni, tecnologie o best-practices
atte a migliorare l’accessibilità, in senso allargato, da
parte degli utenti ai contenuti Internet. Nel rispetto
dei principi del progetto, CEFRIEL ha rilasciato
il framework sotto una licenza aperta e royality
free per gli utilizzatori finali e per tutti coloro che
intendono effettuare modifiche alla stessa.
Il framework si presta a essere uno strumento
CMS versatile e pronto all’uso. La flessibilità dello
strumento è attestata dal suo impiego in vari contesti
con esigenze anche molto differenti, si spazia
infatti dall’ambito di ricerca a quello prettamente
informativo, passando per portali cartografici od
orientati al mobile web.
1.
Il sito del progetto HARMONIA
Website of the HARMONIA
project
technologies used by people with disability. Users
can personalize page layout (font size and style,
contrast, page columns, themes, etc.) in order to
maximize navigation experience.
- Multichannel: the framework provides high
quality layout and functionality to powerful
browsers, but at the same time supports very simple
devices in similar way rendering simple pages.
- Multimodality: Harmonia provides voiceXML markup
to allow voice browsers to automatically read contents.
- Web standards conformity: W3C-WAI guidelines
conformance makes the CMS an advanced and
innovative platform to create and publish web contents.
- Open license: one of CEFRIEL goals consists in best
practices and new technology diffusion. Increasing
accessibility for people with disability to Internet
contents represents a high priority program.
To maximize this issue CEFRIEL releases the CMS
under an “open” and royalty free license for end users
and people who want to customize the framework.
The framework is a flexible and ready to run tool.
The flexibility has been tested in many different
contexts: both research and production projects.
39
Audio tact: accessibilità di immagini per
persone non vedenti
Audio tact: providing enhanced content
accessibility to images for visually
impaired users
Dipartimento di Elettronica e Informazione
Gruppo di ricerca
Research group
Licia Sbattella
Thimoty Barbieri
Antonio Bianchi
Anno di avvio attività
Beginning of activity
2004
Cooperazioni nazionali e internazionali
National and international collaboration
Istituto dei Ciechi di Milano
L’attuale concetto di accessibilità per i siti web
prevede la predisposizione delle pagine affinché
possano essere efficacemente navigate mediante
canali alternativi – in special modo, per utenti
non vedenti, attraverso un lettore di schermo che
utilizza una voce sintetica. In particolare, per siti che
contengono immagini, viene richiesto di fornire una
alternativa testuale all’immagine che possa essere
letta all’utente non vedente dal sintetizzatore locale.
Tale approccio risulta poco praticabile per siti che
contengono immagini ad elevata concentrazione di
40
Several e-learning platforms or in general
informative web sites (such as museum web sites)
have started to make their web site accessible, making
it more navigable for (visually) impaired users.
However, accessibility in the current conception
concerns navigation within the site, but does
not help to effectively peruse the content in the
site itself. For specific learning contexts, such as
geography, math, history, or in museum web sites,
access to images and graphics that carry significant
meanings which are hardly translatable into words
informazioni (quali cartine geografiche, planimetrie,
disegni tecnici o matematici), dove risulta complesso
o non possibile realizzare un’alternativa testuale di
tutte le possibili chiavi di lettura dell’informazione
contenuta nell’immagine stessa.
Il progetto Audiotact propone un dispositivo
e un metodo multimodale e multimediale per
l’esplorazione di immagini da parte dell’utente
non vedente, sfruttando in modo combinato
suggerimenti sonori e ritorni di tipo vibro-tattile.
Il dispositivo realizzato è un separatore di canale che
preleva un segnale sonoro stereo dalla scheda audio
di un PC, opportunamente preparato. Tale segnale
sonoro reca informazione audio in un canale, e
forme d’onda per generare diversi tipi di vibrazioni
in un altro. Il dispositivo separa i due canali e
porta il canale audio a un riproduttore audio, e il
canale vibrazionale a un trasduttore vibrazionale,
dopo opportuna linearizzazione e amplificazione.
Tale trasduttore vibrazionale può essere indossato
dall’utente al dito oppure montato su una penna
quando si utilizza rispettivamente come dispositivo
di puntamento un touch screen oppure una tavoletta
grafica. Il metodo prevede che il dispositivo di
puntamento sia di tipo assoluto (contrariamente a
un mouse che utilizza un sistema di puntamento
punta-e-clicca di tipo posizionalmente relativo), in
modo da garantire una mappatura precisa anche
alla cieca tra zona puntata con il dito o la penna ed
effettiva posizione dello schermo.
Prelevando dal web le immagini arricchite in vari
punti di informazioni audio e tattili risulta possibile,
per il non vedente, esplorare le immagini ed estrarre
informazioni in modo autonomo.
Il software applicativo realizzato esplora un caso
di studio riguardante l’esplorazione autonoma di
cartine geografiche. I primi risultati ottenuti hanno
dimostrato che il metodo offre buoni risultati e
incoraggia ulteriore sperimentazione collegando il
software di esplorazione geografica a un sistema di
base dati geografica GIS.
is barren to visually impaired users. In this case,
providing a textual alternative like it is suggested in
the accessibility guidelines may not prove sufficient,
let alone satisfactory for the user. A solution to
this problem is offering the image information
in a multimodal way, enriching the graphical
information with haptic (tactile) feedback and with
aural (audio) cues.
In a multimodal version of an image, it could
be possible to allow feature identification with
a correlation to vibrational patterns, with
corresponding voice annotations, so when for
example the user hovers on a city in a map, the
corresponding tactile cue is felt, and a voice reads the
name of the city.
We created a device which could allow multimodal
exploration of web images in a much more direct
way. This device, called “AudioTact”, uses the two
stereo audio channels to offer a combination of
audio and tactile stimula during exploration with
a touch screen of an image donwloaded via the
web. The Web Image is pre-prepared in a way
that it can generate sounds which are produced
on the left channel by regular audio headphones
and on the right channel by a haptic transducer
which has to be worn on the finger or attached
to the pen of a graphical tablet. Following a given
exploration method, the visually impaired user can
autonomously extract information from the features
of the image.
A blind user trained in this technique could visit
learning site rich with graphic contents (such as sites
about geography, or art sites), and extract relevant
information from the graphics.
This approach was tested in a case study which
involved ten blind students of the Institute of the
Blind in Milan. The test provided a training phase,
in which the student could get confident with the
method, and a second part in which it was required
to use the system to extract new information from
unknown images. Good results encouraged mew
projects related to Geographical Information
Systems methodologies and new experiments with
blind children of the primary school.
41
MAIS MultiLezi:
un ambiente adattabile, multicanale e
multimodale per l’e-learning
MAIS MultiLezi: an adaptable
multichannel and multimodal
environment for e-learning
Dipartimento di Elettronica e Informazione
Gruppo di ricerca
Research group
Licia Sbattella
Luca Mainetti
Thimoty Barbieri
Antonio Bianchi
Stefano Bruna
Barbara Pernici
Anno di avvio attività
Beginning of activity
2002
Cooperazioni nazionali e internazionali
National and international collaboration
Università di Lecce
Sito web
Website
http://www.mais-project.it
L’obiettivo del progetto MAIS (Multichannel
Adaptive Information Systems) è stato sviluppare
modelli, metodi e strumenti che consentano la
realizzazione di sistemi informativi adattativi
multicanale, in grado di fornire servizi anche in
condizioni di forte variabilità dell’accesso alla rete e
dei dispositivi di accesso.
MAIS, come progetto di ricerca di base, ha coinvolto
molte Università italiane, fra cui il Politecnico di
Milano, sui temi della comunicazione e dell’accesso
all’informazione distribuiti, con particolare
42
The goal of the MAIS (Multichannel Adaptive
Information Systems) project has been the
development of models, methods and tools that
allow the implementation of multichannel adaptive
information systems able to provide services with
respect to different types of networks and of access
devices.
MAIS, as base research project, has involved many
Italian Universities, among which Politecnico
di Milano, about the themes of distributed
communication and computing, taking in particular
attenzione all’interazione di persone in situazione
di disabilità con questi sistemi. Le applicazioni di elearning sono particolarmente adattate a dimostrare
l’utilità e il potenziale dei servizi context-aware
multicanali e multimodali in un quadro come quello
definito per l’architettura di MAIS. La preparazione
di materiali didattici e un adeguato ambiente di
e-learning, che possano essere usati attraverso i
diversi canali e contesti e le modalità differenti di
interazione (permettere ad esempio l’accesso anche a
utenti con disabilità specifiche, di carattere motorio
e sensoriale), richiede il disegno e lo sviluppo di
interfacce multimodali, di strutture adattive di
navigazione e contenuti sviluppati e progettati in
modo tale da poter essere facilmente ristrutturato
per i diversi stili di accesso e di interazione.
Qui brevemente presentiamo MultiLezi (Figura
1), un prototipo di un ambiente di apprendimento
multicanale e multimodale, che utilizza il modello
utente di MAIS per profilare i bisogni degli utenti e
l’architettura riflessiva di MAIS per fornire all’utente
la selezione del canale e della modalità più efficiente
per garantire usabilità e accessibilità ottimale del
contenuto di apprendimento.
Attualmente i canali supportati dal prototipo sono
il Web, il telefono e dispositivi palmari, con la
possibilità di utilizzare contenuti testuali e audiovideo. È possibile leggere il contenuto testuale su
un PDA, ascoltare il prodotto di un VoiceXML
attraverso sintesi e riconoscimento vocali che
strutturano un sistema di interazione accessibile
dal telefono, utilizzare un canale multimodale che
si avvale dell’uso del mouse, ma che utilizza anche
controllo e sintesi vocale in modalità complementare
(multimodale). Qui metteremo a fuoco in
particolare l’interazione multimodale desktop e
attraverso il telefono.
-MultimodalLezi: un’interfaccia multimodale per
l’accesso al sistema di e-learning, che supporta un
paradigma standard point-and-click di interazione
dell’utente, e la possibilità di pronunciare specifici
comandi e richiedere (attraverso TTS) una lettura
sintetica della struttura di navigazione dell’ambiente
e del contenuto stesso.
-VocalLezi: un’interfaccia di navigazione vocale
per l’accesso al contenuto che permette di spostarsi
all’interno della struttura ad albero secondo cui
1.
L’architettura generale di
MultiLezi
General architecture of
MultiLezi
account the interaction with such systems by people
in situation of disability.
E-learning applications are particularly well suited
to demonstrating the usefulness and potential
of multichannel and multimodal context-aware
services within a framework such as that defined for
the MAIS architecture. Providing teaching materials
and a suitable learning environment, which can
be used across various channels and contexts, and
with different interaction modalities (e.g., to allow
access also to users with specific disabilities, such
as blindness or motor difficulties), requires the
design and development of multimodal interfaces,
adaptable navigation structures, and content
developed and designed in such a way that it can be
easily repurposed for different styles of access and
interaction.
Here we briefly present MultiLezi (Figure 1), a
prototype of a multichannel, multimodal learning
environment, which leverages the MAIS user
model to profile the needs of users in a learning
environment, and the MAIS reflective architecture to
provide the user with the most efficient selection of
43
2.
Il servizio di VocalLezi permette
all’utente di interagire con
MultiLezi attraverso il telefono
The VocalLezi service allows
user interaction with MultiLezi
over the phone
questo è organizzato, attraverso una normale
conversazione telefonica.
MultimodalLezi
Questo canale offre la possibilità di una vera
interazione multimodale, unendo la modalità
vocale e la normale modalità visiva di point-andclick (attraverso mouse e tastiera). Gli utenti target
di questo canale sono utenti con limitata acuità
visiva. L’uso di un’interfaccia utente appropriata
e accessibile è un requisito fondamentale e deve
soddisfare i seguenti criteri.
- Input e output: deve essere possibile interagire con
l’interfaccia sia attraverso la voce sia attraverso le
periferiche tradizionali come mouse e tastiera.
- Elementi di interfaccia autoesplicativi: le
caratteristiche principali dell’interfaccia possono
essere lette portando il mouse sopra di loro, secondo
una modalità esplorativa. La sintesi vocale legge
le etichette dei tasti o dei campi delle form per
supportare gli utenti con ipovisione o con dislessia.
- Regolazione del contrasto e della dimensione del
font: un elevato contrasto cromatico permette una
44
channels and access modalities, to guarantee optimal
usability and accessibility of the learning content.
Currently the channels supported by the prototype
are the Web, the telephone, and hand-held devices,
with the possibility to use text and audio-video
content. It is possible to read text content on a
PDA, to listen to VoiceXML with a text to speech/
automatic speech recognition navigation system
accessible over the phone, and to use a multimodal
channel which allows use of the mouse, but also
voice control and speech synthesis in a combined
(multimodal) mode. Here we will focus on desktop
multimodal and phone interaction:
- MultimodalLezi: a multimodal interface for
accessing learning content, which allows a standard
point-and-click user interaction paradigm, which
can be mixed with the possibility to speak specific
commands, and to request a text-to-speech (TTS)
synthetic reading of the navigational structure of the
environment and of the content itself.
- VocalLezi: a voice-based navigation interface for
the content, which provides interaction through a
tree-based structure controlled by means of a vocal
conversation across a regular telephone.
MultimodalLezi
This channel offers the possibility of a true
multimodal interaction, combining the vocal
modality and the regular visual point-and-click
modality (mouse and keyboard). The target users of
this channel are users with vision impairments (in
particular, low vision). The use of an appropriate,
accessible user interface is a fundamental
requirement and must satisfy the following
criteria.
- Input and output: it must be possible to interact
with the interface both by speech and traditional
peripherals as the mouse and the keyboard.
- Self-explaining interface elements: the main
features of the interface can be read by rolling the
mouse over them. A speech synthesizer reads the
labels on buttons or fields to help users with low
vision or dyslexia.
- Setting of visual contrast and font size: a high
color contrast allows better visualization. Through
the use of cascading style sheets, the user can
consistently change the color appearance of the
migliore visualizzazione. Attraverso l’uso di fogli
di stile l’utente può modificare consistentemente la
combinazione di colore dell’interfaccia e del formato
del testo.
- TTS: il contenuto può essere letto da un
sintetizzatore integrato (nessuna esigenza di un
costoso screen reader), per supportare utenti con
ipovisione e con dislessia (il testo che viene letto
viene inoltre evidenziato per permettere all’utente
una migliore attenzione).
interface and the text size.
- TTS: content can be read by an integrated
synthesizer (no need for an expensive screen reader),
to help users with visual impairments or with
dyslexia (the content which is being read is also
simultaneously highlighted to allow the user to read
along).
VocalLezi
The use of a regular telephone as mean of access as
a channel broadens the number of users who can
VocalLezi
access the content, both in terms of context (from
L’uso del normale telefono come mezzo di accesso
places in which a PC is not available) and in terms
al sistema estende il numero di utenti che possono
of the user’s abilities (the user may not use a PC or
accedere al contenuto, sia in termini di contesto
might not know how to use it).
(da posizioni in cui un PC non è disponibile) sia in
VocalLezi (Figure 2) can dynamically process an
termini di possibilità dell’utente (l’utente potrebbe
alternative rendition (a process called transcoding)
non sapere utilizzare un PC o potrebbe non volerlo
from standard Web pages which are compliant with
usare). VocalLezi (Figura 2) è in grado di generare
the main accessibility guidelines set forth in W3C
dinamicamente una resa alternativa (un processo
WCAG 1.0, creating a navigational structure and
denominato transcodifica) da pagine Web standard
content rendition using the VoiceXML language,
che siano aderenti alle linee guida di riferimento
which allows one to create menus and read content
principali di accessibilità disposta in W3C WCAG
using solely voice-based interaction. In an effort to
1.0. Viene definita un’interfaccia di navigazione del
determine the best strategy to offer the user, which
contenuto e della struttura usando il linguaggio
would consist of a simple, intuitive method of
VoiceXML, che permette la generazione di menu e
vocal navigation that could represent the complex,
la lettura del contenuto attraverso la sola interazione visual-based navigation of the channels described
vocale. Nello sforzo di determinare la migliore
above, various vocal-interaction strategies have been
strategia di accesso al contenuto da offrire all’utente, evaluated.
un metodo semplice e intuitivo di navigazione vocale To provide vocal rendition of content, in particular
che possa sostituire la complessa navigazione visuale for users with cognitive or visual disabilities, it was
dei canali sopra descritti, sono state valutate varie
necessary to carry out various experiments to test
strategie di interazione vocale.
the role of prosody and text simplification. While
Per fornire una resa vocale del contenuto, in
current speech synthesizers have made significant
particolare per utenti con disabilità cognitive
advancements both in the quality of the voice and
o visive, è stato necessario effettuare diversi
in the precision of the rendition of human prosody
esperimenti per verificare il ruolo della
in reading text, there is still room for improvement.
semplificazione del testo e della prosodia. Anche
In relation to this matter, during our early tests, we
se gli attuali sintetizzatori vocali hanno fatto dei
found that users with visual disabilities consider
significativi progressi sia nella qualità della voce
the quality of the speech to be less important (they
sia nella precisione della resa prosodica, c’è ancora
get used to the synthesizer of the screen reader and
spazio per il miglioramento. Rispetto a questa
adapt to its flaws), whereas the importance of the
materia, durante le nostre prime valutazioni si
quality of speech increases when speech is used as
è evidenziato che gli utenti con disabilità visive
a prosthesis for young readers with dyslexia. A bad
considerano meno importante la qualità della
synthesis can compromise irreparably the usefulness
sintesi vocale, abituati da tempo al livello mediocre
of the platform.
di sintesi degli screen reader degli scorsi anni e ai
Text simplification showed a twofold potential:
45
loro problemi), mentre l’importanza della qualità
della sintesi aumenta quando il discorso è usato
come supporto per giovani lettori con dislessia. Una
sintesi difettosa in questo caso può compromettere
irreparabilmente l’utilità della piattaforma di
apprendimento.
La semplificazione del testo ha mostrato un duplice
potenziale: (a) il sintetizzatore potrebbe leggere
il contenuto con meno errori, sia nella resa della
prosodia sia nella pronuncia delle parole complesse
o insolite e (b) aumenta la leggibilità e l’accessibilità
del contenuto, sia per i lettori con dislessia, sia per
quelli con disabilità visiva, rendendo il testo più
facile da leggere o navigato da un punto di vista
morfologico, fonetico, sintattico e strutturale. I
lettori giovani con dislessia e i loro insegnanti
hanno inoltre apprezzato il ruolo pedagogico che
il sistema ha assunto in letture assistite in attività
di apprendimento: l’ambiente tecnologico si è
dimostrato meno frustrante rispetto agli ambienti di
apprendimento tradizionali e ha motivato l’utente
nell’affrontare nuove esercitazioni. La possibilità
di fornire contenuto ricco e accessibile in formati
multimediali è sembrato essere un ulteriore
importante vantaggio. La versione corrente del
prototipo richiede una semplificazione strutturale
manuale del contenuto testuale originale del corso
e usa un indice di complessità basato su GULPEase.
Ciò aiuta il redattore del contenuto, cioè la persona
incaricata di intervenire sul testo, nel trovare la
lunghezza ottimale delle frasi per la semplificazione
della lettura. Il redattore inoltre controlla il lessico
usato, confrontandolo col vocabolario di base
italiano, una lista delle parole più frequentemente
usate nella lingua parlata, per ottenere un più alto
livello di comprensione.
A questo fine abbiamo aggiunto il vocabolario
italiano di base come dizionario per il programma di
word processing usato dai redattori dei contenuti. In
questo modo si possono ottenere risposte immediate
e feedback visivo quando viene utilizzata una parola
che non appartiene al dizionario di base. L’indice
di leggibilità utilizzato è basato su GULPEase, che
prende in considerazione le lunghezze di parola e di
frase e a questo si è aggiunto il risultato di una analisi
“shallow” dei documenti, una tecnica di analisi che
produce rappresentazioni sintattiche piatte (chunks),
46
(a) the synthesizer could read the content with
fewer mistakes, both in the rendition of prosody
and in the pronunciation of complex or unusual
words and (b) it enhanced the readability and
accessibility of the content, both for readers with
dyslexia and those with visual disability, making text
easier to read or navigated from a morphological,
phonetic, syntactical and structural point of view.
Young readers with dyslexia and their teachers also
appreciated the pedagogical role that the system
assumed in tutored reading and learning activities:
the technological environment was less frustrating
than traditional learning environments and could
motivate the user to attempt new exercises. The
opportunity to provide accessible, rich content in
multimedia formats also appeared to be a major
advantage.
The current version of the prototype requires a
manual structural simplification of the original
textual content of the course, and uses a complexity
index based on GULPEase. This helps the content
editor, i.e., the person in charge of rewriting the
content, to find the optimal length of sentences for
simplifying the text. The content editor also checks
the lexicon used, matching it to the Italian Basic
Vocabulary, a list of the most frequently used words
in the spoken language, in order to obtain a higher
understandability.
For this purpose, we have added the Italian Basic
Vocabulary as a dictionary for the word processor
used by the content editors. In this way they can
obtain immediate, visual feedback when a word not
belonging to the basic dictionary is being used. The
readability index that we use is based on GULPEase,
which takes phrase and word lengths into account,
and uses in addition the results of a shallow parsing
of the documents, an analysis technique that
produces flat syntactical representations (chunks),
with low computational requirements and reliable
results. This kind of syntactical analysis produces ten
types of chunks: adjectival, predicative, adverbial,
subordinating, nominal, prepositional, finite verbal,
gerundival, infinitival, and participial. To determine
what weights to assign to the presence of various
type of chunk, an analysis of a reference corpus of
simplified articles was conducted, and coefficients
were assigned to each kind of chunk. The indexes
con modesti requisiti di calcolo e buona robustezza
dei risultati. Questa analisi sintattica produce dieci
tipi di chunk: aggettivo, predicativo, avverbiale,
subordinativo, nominale, preposizionale, verbale,
gerundio, infinito, participio. Per determinare
quali pesi attribuire alla presenza dei diversi tipi
di chunk, è stata condotta un’analisi di un corpus
di riferimento di articoli semplificati, ricavando
coefficienti per ciascuno dei chunk. Gli indici sono
stati scalati in modo da poter essere armonizzati con
il sistema generale di indicizzazione di GULPEase.
Durante le nostre prove di produzione, i redattori
potevano riscrivere manualmente il contenuto per
realizzare un alto indice di accessibilità, a un tasso di
circa 160 parole all’ora, a partire da un documento
esistente. Il requisito di leggibilità per il documento
dopo la semplificazione manuale operata da un
redattore umano è stato fissato in un indice minimo
di 65 (più alto l’indice, più leggibile il contenuto).
Nei nostri esperimenti iniziali, su un totale di 30.000
parole, i redattori hanno ottenuto facilmente un
indice medio di leggibilità di GULPEase di 70. Ciò
è stato realizzato lasciando nel testo soltanto il 16%
di parole che non appartengono al vocabolario di
base italiano. Se confrontiamo la resa della sintesi
vocale della versione originale, non semplificata,
del documento con quella semplificata, risulta
chiaramente evidente che un utente che ascolta la
lettura sintetizzata di una pagina per la prima volta ha
comprensione del 100% della versione semplificata e
un tasso molto più basso di comprensione dello stesso
contenuto per la versione originale.
were devised in a way so that they could be
harmonized with the general GULPEase indexing
system. During our production tests, the editors
were able to manually rewrite content to achieve a
high accessibility index, at a rate of approximately
160 words per hour, starting from an existing
document. After manual simplification by a human
content editor, we required the document to have
a minimum complexity index of 65 (the higher the
index, the more readable the content).
In our early experiments, on a total of 30,000 words,
content editors easily obtained an average GULPEase
readability index of 70. This was achieved by leaving
in the text only 16% of words not belonging to
the Italian Basic Vocabulary. If we compare the
synthesized-speech rendition of a nonsimplified
document with that of a simplified one, it is clearly
evident that a user who listens to the synthesized
reading of a page for the first time has 100%
comprehension of the simplified version, and a
much lower comprehension rate of the same content
in the nonsimplified version.
47
Modelli adattativi per interfacce UomoMacchina accessibili
Adaptive models for accessible HumanMachine interfaces
Dipartimento di Elettronica e Informazione
Gruppo di ricerca
Research group
Andrea Bonarini
Bernardo Dal Seno
Matteo Matteucci
Anno di avvio attività
Beginning of activity
2005
Cooperazioni nazionali e internazionali
National and international collaboration
Istituto Mario Negri, Milano
Questo progetto si focalizza sull’interfaccia cervellocomputer (BCI - Brain Computer Interface), un
innovativo dispositivo di input che rileva segnali
generati dall’attività cerebrale e li interpreta in modo
da poter fornire comandi a un calcolatore.
Le interfacce di input tradizionali richiedono che
l’utente manipoli un oggetto fisico, per lo più usando
mani, piedi o altre parti del corpo, ma questo non è
sempre possibile. Per persone disabili che non hanno
il controllo sui loro muscoli una BCI è preziosa, anche
se attualmente le sue prestazioni sono molto limitate.
48
The focus of this project is on the brain-computer
interface (BCI), a novel input device that is directly
connected with the brain using signals generated by
the brain cells’ activity.
Traditional input interfaces require the user to
manipulate a physical device, mostly with his hands
or feet. However, controlling a device by using hands,
feet, or other body parts is not always a viable choice.
For disabled people who have no control over their
muscle, a BCI can be valuable, even when (as at the
present time) BCI performances are very limited.
1.
Tipico schema BCI (da Mason
et al.)
Typical BCI schema (from
Mason et al.)
Ci sono vari metodi per catturare l’attività cerebrale,
ma l’elettroencefalografia (EEG) è la migliore per una
BCI, per considerazioni di costi, invasività, dimensioni
degli apparati. I segnali EEG sono segnali elettrici,
un sottoprodotto della normale attività del cervello e
sono segnali molto deboli, suscettibili al rumore e ad
artefatti, perciò la loro elaborazione è delicata.
In Figura 1 è rappresentata una tipica architettura
BCI. I segnali del cervello dell’utente sono registrati da
elettrodi sulla testa, vengono amplificati e digitalizzati,
quindi elaborati con algoritmi appropriati. A volte
l’attività cerebrale viene evocata tramite uno stimolo
esterno.
Questo progetto di ricerca punta a studiare problemi
e tecniche connessi alla parte software di una BCI:
gli algoritmi per l’elaborazione dei segnali registrati
dai sensori dal cervello e i protocolli impiegati nella
comunicazione uomo-macchina.
L’adattività dell’interfaccia è l’obiettivo principale
del progetto. Ci sono tre livelli di adattività in una
BCI: adattamento a un nuovo utente; adattamento
ai cambiamenti delle caratteristiche di un utente;
adattamento al processo di adattamento del cervello
dell’utente. Solo il primo livello è normalmente
considerato in letteratura, e tipicamente si richiede
all’utente di adattarsi attraverso lunghe sessioni di
addestramento.
Le tecniche di apprendimento automatico sono
lo strumento principale di questo progetto. Una
selezione attenta e la messa a punto degli algoritmi
porterà ad avanzamenti sia nelle prestazioni sia
nell’adattività di una BCI. La ricerca punta allo
sviluppo di algoritmi di tipo off-line e on-line, adatti
per applicazioni reali di dispositivi assistivi.
There are various methods for registering brain
activity, but electroencephalography (EEG) is the
only viable choice for a BCI, due to considerations of
costs, invasiveness, equipment size. EEG signals are
electrical signals, a byproduct of the normal activity
of the brain; they are very weak and susceptible to
noise and artifacts, hence their processing is tricky.
Figure 1 represents a typical BCI setup. Signals from
the user brain are registered by sensors (electrodes
on the scalp); they are amplified and digitalized,
and then processed with appropriate algorithms.
Sometimes, brain activity is evoked in a user by an
external stimulus.
This research project aims to investigate problems
and techniques related to the BCI, focusing on the
software: the algorithms for processing the signals
collected by sensors and the protocols employed for
the user-machine communication.
Interface adaptivity is the main goal of the project.
There are three levels of adaptivity in a BCI:
adaptation to a new user; adaptation to changes of
the user’s characteristics in time; adaptation to the
adaptive response of the user’s brain. Only the first
level is normally taken into consideration by the
works in the literature, and sometimes not even that;
instead, the user is asked to adapt in long training
sessions.
Machine learning techniques are the main tools
of this project. Careful selection and tuning of
the algorithms should bring advances both in the
performance and in the adaptivity of a BCI. The
research aims at the development of off-line and online algorithms, suitable for real world applications
of assistive devices.
49
Testo inglese
Interfacce Uomo-Macchina avanzate
Dipartimento di Bioingegneria
Advanced Human Machine interfaces
Gruppo di ricerca
Research group
Giuseppe Andreoni
Luca Maggi
Luca Piccini
Sergio Parini
Anno di avvio attività
Beginning of activity
2003
Cooperazioni nazionali e internazionali
National and international collaboration
IRCCS “La Nostra Famiglia”, Bosisio Parini, (LC)
AST - STMicroelectronics, Agrate (MI)
Una Brain Computer Interface (BCI) è una
interfaccia uomo-macchina che, senza far uso dei
normali canali di comunicazione del sistema nervoso
centrale quali i nervi periferici e i muscoli, è in
grado di stabilire una modalità di comunicazione
diretta tra il cervello e il mondo esterno. Le attività
fisiologiche di diverse aree cerebrali possono
essere correlate con le intenzioni del soggetto o
modulate dall’interazione dello stesso con l’ambiente
circostante: per esempio l’onda P300 si verifica
quando l’attenzione del soggetto è catturata da
50
A Brain Computer Interface (BCI) is a new humanmachine communication system that doesn’t rely
on the normal output pathways of the central
nervous system, like peripheral nerves and muscles,
but introduces a direct communication channel
between the brain and the external world. The
physiological activity of different areas of the brain
are correlated either with the subject intention or
with the interaction of the subject with the external
world: for example the P300 occurs when the
subject attention is captured by a cognitive stimulus.
1.
Struttura tipica di un sistema BCI
Structure of a typical BCI
system
2.
Il caschetto EEG da noi
sviluppato
Picture of our EEG helmet.
uno stimolo con valenza cognitiva. Un sistema BCI
cerca di riconoscere determinate attività cerebrali
che possono essere definite esogene (se generate da
particolari stimoli esterni), endogene (se generate
autonomamente dal soggetto mediante esercizi di
concentrazione o immaginazione) e di associarle
a comandi utili per l’interazione con il computer e
tramite questo con l’ambiente.
A BCI equipment exploits these phenomena
trying to detect some modifications in the brain
activity. Such patterns are defined exogenous when
generated by specific external stimuli, endogenous
if they are autonomically generated by the subject
(during concentration or imagination tasks). The
fundamental principle is to associate those variations
with commands useful to interact with the external
environment through a computer or similar devices.
Since ’70, BCIs have been studied, for military
purposes. The poor performances in terms of
information throughput and in terms of reliability
didn’t allow to reach the objective of driving and
aircraft or activating a weapon. Scientists have
explored the advantages and the applications of
a direct connection between the brain and the
external world in other fields, but nowadays the
most important and fascinating application of a BCI
is the aid to disabled people. Since there are many
other technologies able to improve the residual
abilities of the subject, the BCI addresses people with
severe disabilities and whose residual capabilities are
minimal.
Stato dell’arte
Attualmente l’elettroencefalogramma (EEG) è il
segnale più utilizzato per estrarre le informazioni
necessarie per questo genere di informazioni.
Come affermato precedentemente una BCI sfrutta le
informazioni relative all’attività fisiologica cerebrale
per comprendere e tradurre in comandi le intenzioni
del soggetto. Il sistema si compone tipicamente dei
blocchi seguenti (Figura 1):
1.un sistema di acquisizione;
2.un sistema per l’elaborazione dei dati in tempo
reale;
3.una interfaccia utente.
Il metodo per la rilevazione dell’attività cerebrale
51
è l’elettroencefalogramma (EEG). Il segnale EEG
riflette l’attività elettro-fisiologica del cervello e
può essere utilizzato utilizzando elettrodi applicati
sullo scalpo. Sono disponibili anche altre tecnologie,
tuttavia richiedono strumentazione più ingombrante
e costosa.
Per poter estrarre un comando dal segnale
ricevuto, è necessario un sistema di elaborazione:
questo sistema deve essere sufficientemente veloce
da assicurare un funzionamento in real-time.
L’utente deve svolgere specifiche e predeterminate
operazioni mentali affinché sia prodotto un segnale
riconoscibile e associabile a uno specifico comando:
ciascun comando è associato a una classe di attività
cerebrali simili.
In primo luogo un blocco di estrazione delle features
estrae alcuni parametri descrittivi del segnale che
permettono di dividerlo in classi differenti.
Un vettore di features identifica uno spazio multi
dimensionale nel quale ciascuna classe è localizzata
in un punto diverso.
Il classificatore ha il compito di identificare la linea
di demarcazione tra una classe e l’altra: in questo
modo, date le coordinate che collocano un certo
segnale in un punto nello spazio, è possibile risalire a
quale classe appartiene.
In seguito alla classificazione è possibile associare
questa ultima a un comando.
Questa operazione viene eseguita dall’interfaccia
utente che può essere un’applicazione di wordprocessing, l’attivazione di una stimolazione elettrica
funzionale oppure di un dispositivo domestico.
I risultati consolidati della ricerca mondiale
permettono di considerare la BCI come un ausilio
domestico per le persone affette da disabilità.
Questa affascinante prospettiva, tuttavia, deve
scontrarsi con il fatto che questi sistemi sono spesso
voluminosi, ingombranti e troppo costosi per essere
considerati una soluzione adatta all’applicazione
domestica della BCI. Ulteriormente il numero di
canali EEG utilizzati dagli algoritmi dovrebbe essere
minimizzato al fine di semplificare l’applicazione
degli elettrodi; l’algoritmo di classificazione e
di estrazione delle features dovrebbe escludere
ridondanze per ridurre il carico computazionale del
computer.
52
State of the art
Nowadays the electroencephalogram (EEG) signal
is the most frequently used signal to extract the
information required for the implementation of a
BCI system.
As stated before a BCI has to exploit the information
about the brain physiological activity in order to
understand the user’s intention. In order to perform
such an operation, the system is typically composed
by the following blocks:
1.a data acquisition system;
2.a data processing real-time system;
3.a user interface.
The most diffused method for the acquisition of the
brain activity is the electroencephalogram (EEG).
The EEG signal reflects the electrophysiological
activity of the brain and can be recorded by means
of superficial electrodes applied on the scalp. There
are also other ways to record the brain activity, but
those techniques are invasive or require extremely
expensive or bulky instrumentation.
In order to extract the user’s will from the signal
there is a data processing system: this system must
process all the data as fast as possible in order to
provide a real-time operation. The user has to
perform some kind of activity in order to produce
the signal associated to a specific command: each
command is identified by a class of similar brain
activities.
The first part is a block which performs a data
preprocessing in order to reject artefact and to
increase the signal to noise ratio (SNR), some kind
of elaboration are band-pass filtering, adaptive
filtering of envelope extraction.
After that a feature extraction block extracts the
parameters (called ‘features’) from the signal which
can be used to discriminate between different classes
of possible commands. Typical features are the
power density in certain areas of the spectrum, the
value and the index of the maximum and the root
mean square amplitude.
The features vector identifies a multidimensional
space inside which each class is situated in a
different place. The classifier has to identify the
border of discrimination between each area in order
to be able, given the coordinates of the signal in the
space of the features, to understand to which class it
Obiettivi e stato di avanzamento del progetto
L’aspetto che maggiormente caratterizza questo
progetto è l’utilizzo di sensori miniaturizzati e
indossabili e di dispositivi elettronici in grado di
sfruttare tutte le risorse residue delle persone disabili
permettendo all’individuo di interagire con il
mondo esterno.
Lo scopo di questo progetto è mettere a disposizione
un sistema BCI affidabile, robusto ed
economico. Questo obiettivo sarà raggiunto
progettando un framework per la realizzazione,
il test e l’applicazione della BCI basandosi su un
sistema wearable. Più in dettaglio, il nostro sistema
attualmente è composto da un elmetto indossabile
chiamato Kimera in grado di acquisire diversi
biosegnali, principalmente il segnale EEG. Grazie a
un microprocessore a bordo, il sistema sarà in grado
di effettuare localmente e in real-time l’elaborazione
del segnale e di controllare il programma
(Bellerophonte) in esecuzione sul computer. Il
paradigma BCI da noi utilizzato si basa su due
protocolli, SSVEP e Motor Imagery. Il primo si basa
sull’utilizzo di stimoli luminosi intermittenti per la
generazione di potenziali evocati che vengono poi
associati a comandi specifici. Il secondo, sicuramente
più interessante, prevede invece il riconoscimento di
segnali evocati autonomamente dal soggetto
durante la preparazione del movimento, senza
richiedere l’effettiva esecuzione dello stesso.
La semplicità di utilizzo e il basso costo della
piattaforma formata da Kimera e Bellerophonte
renderanno possibile lo sviluppo di applicazioni BCI
domestiche e studi a lungo termine dell’applicazione
di questa tecnologia.
corresponds.
After the class is identified it is possible to associate it
to a command. The command is executed by the user
interface: it can be a word processing application, a
functional electrical stimulation of some muscles or
the activation of a home automation device.
Now the consolidated outcomes of the worldwide
research allow to conceive BCI as a potential
actual aid for people at home. This fascinating
perspective faces the problems related to those
systems, which often are bulky and too expensive to
become a practical solution for domestic appliance
of BCI. Moreover the number of channel used by
the algorithms should be minimized in order to
simplify the application of electrodes; the feature
extraction and classification algorithm should avoid
redundancy in order to reduce the computational
workload to the host computer.
Objectives and current work
The focus of this project is the use of wearable
sensors and microelectronics technologies in
order to exploit all the available resources from
the disabled to allow them to interact with the
surrounding environment. The aim of this project
is to provide a reliable, smart and low cost system.
This objective will be achieved by designing a
framework for the realization, the test and the
application of BCI at home, based on wearable
system. More in detail, our system is composed of
a wearable EEG helmet (called Kimera) with a on
board Data Processing Unit, able to perform a local
real-time processing and to control the software
(Bellerophonte) running on the host computer by a
low-power RF connection.
Our BCI paradigm is based on two protocols, the
SSVEP and the Motor Imagery. The first requires
different flashing sources in order to generate visual
evoked potential mapped on specific commands.
The second, without doubt the most interesting one,
uses the signals generated when the subjects prepare
their movement, without requiring its execution.
The user-friendliness and low cost of the
Kimera&Bellerophonte platform will make it suitable
for the development of home BCI applications, and
long term application studies.
53
Linguistica computazionale per
disabilità di apprendimento e di
comunicazione
Computational linguistics for learning
and language impairements
Dipartimento di Elettronica e Informazione
Gruppo di ricerca
Research group
Licia Sbattella
Matteo Matteucci
Nicola Gatti
Bernardo Dal Seno
Antonio Bianchi
Anno di avvio attività
Beginning of activity
2002
Cooperazioni nazionali e internazionali
National and international collaboration
AICA, Associazione Italiana Comunicazione
Aumentativa, Milano
Fondazione Mario Negri, Milano
Fondazione Benedetta d’Intino, Milano
Fondazione Don Carlo Gnocchi, Milano
Fondazione Italiana Accenture, Milano
Associazione Italiana Dislessia, Milano
Sito web
Website
http://arcslab.elet.polimi.it
Comunicazione Aumentativa e Alternativa
(CAA)
Augmentative and Alternative Communication
(CAA)
I linguaggi iconico-simbolici, come Bliss
(Blissymbolics) e PCS, utilizzano simboli e icone al
posto delle parole e vengono comunemente usati
per la comunicazione e la riabilitazione di giovani
e adulti con disabilità di tipo congenito o acquisito,
cognitivo, linguistico o relazionale. Storicamente
questi linguaggi sono stati utilizzati tramite tavole di
simboli stampate, dove gli interlocutori indicavano
uno a uno i simboli che componevano la frase
Iconic-symbolic languages, like Bliss (Blissymbolics)
and PCS, make use of symbols and icons instead
of words, and they are usually employed for
communication and rehabilitation of people of
all ages with linguistic or relational disabilities,
both congenital and acquired. Historically,
communication in these languages has been done
by using predefined symbol tables, where speakers
would point to one or more symbols, so as to
54
desiderata. Oggi il calcolatore può offrire molte più
funzionalità a questo tipo di comunicazione, come
la memorizzazione del testo, l’invio a distanza (ad
esempio e-mail), la sintesi vocale, la predizione.
Ambienti software appositamente studiati possono
consentire sia l’ampliamento dei contesti di
comunicazione sia la riduzione di difficoltà che
talvolta rendono molto faticoso il processo stesso
di comunicazione (si pensi ad esempio alla lentezza
con cui viene selezionato il prossimo simbolo
componente una frase in presenza di un ricco
insieme di simboli e di semplici supporti cartacei).
È stato sviluppato un ambiente di supporto alla
Comunicazione Aumentativa e Alternativa (CAA)
che permetta di usare un comune PC per scrivere e
comunicare usando linguaggi simbolici. L’ambiente si
ispira ai principi di usabilità e accessibilità, e fornisce
anche funzionalità avanzate di personalizzazione,
come la possibilità di scegliere il vocabolario,
modificare le tabelle dei simboli e anche i simboli
stessi; permette inoltre la sintesi vocale e l’integrazione
con programmi di posta elettronica e videoscrittura;
un aspetto importante è l’uso di un predittore
linguistico, che permette di facilitare la composizione
di frasi accelerando la selezione dei simboli ritenuti
più probabili dato il contesto.
È stato sviluppato anche un predittore linguistico da
integrare nell’ambiente di supporto della CAA.
Un predittore linguistico è uno strumento che, data la
prima parte di una frase, troncata a una certa parola,
stima le probabilità di una o più parole successive.
Le stime di probabilità possono essere sfruttate da un
sistema di videoscrittura per suggerire all’utente la
parola successiva da scrivere. Tale strumento è molto
importante per raggiungere una velocità di scrittura
accettabile quando si usano linguaggi iconicosimbolici, in cui si seleziona un’intera parola alla
volta in un vocabolario che può avere anche centinaia
di elementi. Esso è ancora più importante in presenza
di disabilità cognitive, che limitano la capacità di
destreggiarsi nella scelta di una parola all’interno
di un vasto campionario, o motorie, che rallentano
l’interazione con la macchina.
Un predittore funziona basandosi su un modello della
lingua in uso, che può anche essere specializzato per il
singolo utente, in modo da adattarsi al suo stile.
Il modello sviluppato è un particolare tipo di
1.
Schermata di un programma per
la scrittura in Bliss
Screenshot of an application
for writing in Bliss symbolic
language
form a phrase. Nowadays, computers offers more
functionalities to this kind of communication, like
storing phrases, sending them to a distance (e.g. email), vocal synthesis, prediction.
Specially crafted software environments can help in
expanding communication context and diminishing
the difficulties that make communication difficult
(for example, the long process of selecting the
next symbol of phrase when there are a rich set of
symbols and just plain paper tools).
We are developing an environment to support
the Alternative Augmentative Communication
(AAC), which makes it possible to use a common
PC for writing and communication with symbolic
languages.
The environment is inspired by usability and
accessibility principles, and it features advanced
customizations, like selecting a vocabulary,
modification of symbol tables and even symbols; it
permits also vocal synthesis and can be integrated
with e-mail and word processing software.
An important feature is the linguistic predictor; it
eases the phrase composition process, by speeding
55
2.
Messaggio in corso di
composizione in WebBliss
integrato nel portale navigAbile:
il contesto simbolico corrente è
quello degli aggettivi
A message is composing
within WebBliss, integrated
into navigAbile portal: the
current context is adjectives
modello markoviano nascosto (un modello
markoviano rappresenta l’evoluzione di un sistema
in termini probabilistici), che viene tarato usando
frasi d’esempio, meglio se prodotte da chi poi
utilizzerà lo strumento. Si sta estendendo l’ambiente
sviluppato per supportare altri linguaggi iconici.
Web-Bliss per il portale Navigabile di Accenture
L’editor web-based di messaggi Bliss, denominato
WebBliss, ha una struttura modulare che ne
permette un utilizzo standalone o integrato in
soluzioni già esistenti. Una prima integrazione è
stata quella con il portale dedicato dalla Fondazione
Accenture alla disabilità della comunicazione
navigAbile. L’editor mette a disposizione strumenti
di composizione di messaggi in linguaggio iconico
Bliss, in cui ciascun utente può disporre di una tabella
personalizzata per il suo profilo.
I simboli sono suddivisi in categorie semantiche:
sostantivi, aggettivi, verbi, spazio-tempo, persone,
punteggiatura e messi a disposizione attraverso la
forma iconica e testuale. L’editor è completamente
accessibile da tastiera attraverso shortcut e
56
up the selection of the symbols that are deemed
more probable in a given context .
We are developing also a linguistic predictor to be
integrated in the environment supporting AAC.
A linguistic predictor is a tool that, given the first part
of a phrase, truncated at a word boundary, estimates
the probability of one or more subsequent words.
Probability estimations can be exploited by a word
processor to suggest the next word in the phrase to
the user. Such a tool is very important to achieve an
acceptable speed in writing with iconic-symbolic
languages, where you select a whole word a time in
a vocabulary that can contain hundreds of elements.
It is even more important for users with cognitive
disabilities, as they have difficulties in managing to
select a word out of a big collection, or with motor
disabilities, which slow the interaction with the
machine.
A predictor works by using a model of the language;
the model can be customized for a single user, so as
to adapt to the user’s style.
The model that we are developing is a particular
hidden Markov Model (a Markov model represents
the evolution of a system in terms of probabilities),
which can be tuned on samples of phrases,
preferably produced by the person who will use the
tool. We are extending the environment to support
different symbolic languages.
WebBliss for Navigabile (Accenture)
The web web-based editor of Bliss messages, called
WebBliss, has a modular structure, which makes it
usable both standalone or integrated with already
existent solutions.
An example of integration is with navigAbile, a
portal dedicated to communication disabilities. The
editor places composition tools at user’s disposal
in iconic language. Each user has his own symbolic
table, according to his profile, with the set of symbols
he often uses.
The symbols are grouped in semantic categories:
substantives, adjectives, verbs, space-time, people,
punctuation, at disposal in text and iconic form,
for a suitable search. The editor is completely
accessible from the keyboard thorough shortcuts and
tabs appropriately studied to make the navigation
immediate.
tabulazioni opportunamente studiate per rendere
immediata la navigazione.
Elaborazione del linguaggio naturale
per l’accessibilità, analisi linguistica e
interfacciamento multimodale per le disabilità
della comunicazione e dell’apprendimento
Analisi di complessità
I diversi tentativi di valutazione della complessità
di lettura di un testo hanno portato alla definizione
di diverse formule. Flesh in particolare lega la
complessità al numero di parole per frase e al
numero di sillabe per parola. In Italiano tale formula
è stata adattata dal gruppo di Tullio De Mauro
tramite la definizione dell’indice di GULPease.
Basandoci su questo indice, il nostro gruppo ha
definito una metodologia di analisi della complessità
di un testo che sfrutta l’analisi di uno shallow
parser (che spezza le frasi in chunk morfo-sintattici,
ottenendo una scomposizione piana della frase con
basso costo computazionale).
Dieci tipi di chunk sono prodotti dallo shallow
parser utilizzato: aggettivo, predicativo, avverbiale,
subordinato, nominale, preposizionale, verbale
finito, gerundivo, infinito, participio.
Per determinare quale peso attribuire a ciascun
chunk in relazione alla complessità sintattica, è stato
analizzato un corpus di articoli ed è stato definito un
coefficiente di complessità per ciascun tipo di chunk.
L’indice di complessità è stato così ridefinito
tenendo conto del numero medio di chunk per
frase e dei tipi di chunk presenti nel documento.
L’analisi sintattica realizzata dallo shallow parser e
una eventuale analisi successiva di tipo semantico,
forniscono ulteriori elementi che consentono una
valutazione della struttutra del testo anche in vista
della resa vocale del contenuto del documento.
Un apposito tool può aiutare chi crea nuovi
documenti consentendo il controllo della
complessità lessicale, sintattica e strutturale del testo
che si sta creando.
Rappresentazione multimodale di contenuti per la
dislessia
Utenti con difficoltà di lettura del contenuto di una
pagina possono avvalersi oggi di diverse soluzioni
3.
Screenshot del test TOEFL-like:
l’immagine visualizza una scelta
multipla durante la vocalizzazione
con il paragrafo sintetizzato
evidenziato
Screenshot of the TOEFLlike test: the figure shows
a multiple choice answer
while the vocal synthesis
is in progress, the current
paragraph is highlighted
Natural language processing for accessibility,
linguistic analysis and multimodal interfacing for
communication and learning disabilities
Complexity analysis
The various attempts that have been carried to
evaluate the reading complexity of a text have
brought to some formulas, Flesh in particular, who
binds the complexity to the number of words per
phrase and the number of syllables per word. In
Italian such formula has been adapted by the group
directed by Tullio De Mauro into Gulpease formula.
Besides the use of GULPease, which takes into
account phrase and word lengths, we have adopted
an approach using the results of a shallow parsing
of the documents, a syntactical analysis technique
producing what has been defined chunks, a flat
syntactical representation, very reliable and with low
computation requirements. This kind of syntactical
analysis produces ten types of chunk: adjectival,
predicative, adverbial, subordinating, nominal,
prepositional, finite verbal, gerundival, infinitival,
participial.
57
4.
Screenshot di una pagina
dell’applicazione prototipale con
testo, voce e simboli utilizzata
per la sperimentazione con
giovani con dislessia
Screenshot of the prototypal
application developed for an
experimentation with young
users with dyslexia: text, voice
and symbols are combined
together in a multimodal
interface
To determine which weight to assign for the
syntactical complexity to the presence of such types,
an analysis with a reference corpus of articles has
been conducted, and coefficients have been assigned
to each kind of chunk.
The readability formula has been changed taking
into account the average number of chunks per
phrase, and the type of chunks.
The syntactical analysis performed by the shallow
parser and eventually a successive interchunk
semantical analysis also gives elements for capturing
the structure of the text, very useful in order to
present the content by the vocal user interface of the
phone channel.
On the other way editing tools able to calculate
such complexity indexes may assist the author while
creating content signaling complexity over a certain
threshold, both at lexical, syntactical and structural
level.
Multimodal representation of contents for dyslexia
Users who have specific difficulties reading
the content of a page, for various reasons, may
experience a better interaction with the page if an
che consentono un accesso vocale ai contenuti.
alternative way to access to the content is provided.
Gli approcci esistenti vanno da una semplice sintesi
A diversified range of proposals about vocalization
vocale di un testo selezionato (la voce in questo caso of content are available today, from different
viene messa a disposizione tramite l’apertura di
providers.
una seconda finestra con un lettore multimediale)
The existing approaches go from the simple vocal
a soluzioni che necessitano dell’istallazione di
synthesis of selected text (the voice in this case is
software specialistico sulla propria macchina ma che delivered through the opening of a second window
consentono una lettura del testo con contemporanea with a multimedia reader) to solutions which need
evidenziatura della parola letta nel particolare istante the installation by the user of some software on
(anche direttamente dal browser se il sito consente
his machine, but that permit then a reading of the
questa fruizione).
text with highlighting of the word currently read,
Il gruppo di ricerca ha realizzato, per gli studenti
even directly from the browser (for site enabled for
con dislessia iscritti all’ateneo, esercizi di
this service). The modality experimented by the
preparazione e test della conoscenza della lingua
laboratory for an alternative version of the TOEFL
inglese (TOEFL) che sfruttano la sintesi vocale
for students with dyslexia, proposes a vocal synthesis
e consentono l’evidenziatura progressiva dei
with highlighting of paragraph , marked graphically
paragrafi sintetizzati. Il servizio realizzato non
to facilitate the reader. It’s not necessary in this case
richiede l’installazione di software specialistico sulla to install other software on the client machine.
macchina personale.
The synthesis takes place on the server side and it is
La sintesi viene realizzata sul server e rilasciata
delivered to the user by means of an applet that’s able
all’utente tramite un applet in grado di riprodurre
to play the audio stream even while downloading it,
l’audio anche in fase di scaricamento senza attendere not waiting for the download completion.
il suo completamento.
For young users with dyslexia an integration of
58
Per giovani utenti con dislessia, è stata sviluppata
e testata anche un’interfaccia che utilizza simboli e
icone per descrivere sinteticamente il contenuto di
una pagina.
La sperimentazione, condotta con giovani con
dislessia, ha mostrato che l’utilizzo congiunto
dei simboli e dell’evidenziazione del paragrafo
vocalizzato aiuta la comprensione del contenuto
di una pagina, ne rende più esplicita la struttura
velocizzando il raggiungimento di diversi scopi.
vocal and symbolic interface has been developed
and tested, with the symbolic part in the role
of keywords, in a certain sense as an abstract of
the content of the page. A screen shot of such a
prototypal interface is shown in Figure 4.
The test, conducted with young users with dyslexia,
has shown that the presence of symbols, together
with a graphical highlighting of the paragraph, may
help to understand the content of the page and to
grab visually its structure.
59
Ambienti virtuali per l’educazione e la
riabilitazione
Virtual reality for education and
rehabilitation
Dipartimento di Elettronica e Informazione
Gruppo di ricerca
Research group
Licia Sbattella
Thimoty Barbieri
Antonio Bianchi
Anno di avvio attività
Beginning of activity
2002
Cooperazioni nazionali e internazionali
National and international collaboration
Esagramma. Musica e Multimedialità
per il disagio psichico e mentale, Milano
Sito web
Website
http://arcslab.elet.polimi.it
Le tecnologie multimediali e ipermediali possono
essere utilmente impiegate in ambito educativo e
riabilitativo con bambini e giovani con disabilità
cognitive e relazionali. In particolare le attività
di storytelling sono da lungo tempo ritenute
particolarmente valide per la costruzione di mondi
immaginari e di situazioni di simulazione in cui il
bambino possa muoversi in situazioni più semplici e
protette, più ricche e meno stressanti.
Le tecniche tradizionali di storytelling (che
usano pupazzi, carta, penna, voce del bambino
60
Multimedia and Hypermedia technologies can be
successfully used in education and rehabilitation
for cognitively disabled persons. In particular,
storytelling has always proved successfully in creating
imaginary worlds that could both protect the child
from the difficulties of the outer world and create
the conditions to feed new stimuli without causing
discomfort. However, traditional storytelling
techniques (paper, pencil, the voice of the children
and the teacher, etc.) sometimes might be vastly
improved by using multimedia and hypermedia
o dell’insegnante, ecc.) spesso possono essere
notevolmente arricchite dall’impiego di tecnologie
multimediali e ipermediali.
La possibilità di suonare musiche differenti, di
esplorare spazi sonori, di registrare e riascoltare
la propria voce o quella altrui, la possibilità di
giocare con oggetti virtuali in spazi tridimensionali,
usare strumenti di semplice impiego come un
touch screen, può garantire un livello avanzato di
attenzione e di interazione da parte del bambino
e dell’insegnante che condividono la sessione
cooperativa. Il progetto esemplifica l’uso di tecniche
educative e comunicative ipermediali accessibili con
partecipazione attiva anche a bambini con disabilità
cognitiva.
Minus-Two
Minus-Two è un ambiente di storytelling
caratterizzato da una stretta cooperazione tra il
bambino e l’insegnante o il terapista, da aspetti di
comunicazione multimediale, da suoni spazializzati
e da rappresentazioni tridimensionali degli oggetti
e della scena. Il prototipo è stato testato con più di
venti bambini con ritardo mentale e autismo.
Come caso di studio per uno storytelling 3D, per
enfatizzare l’importanza della dimensione sonora,
abbiamo scelto il riferimento alla storia musicale
“Pierino e il Lupo” di Sergej Prokofiev.
Questa storia può essere realizzata tramite MinusTwo, grazie alla caratterizzazione dei personaggi
tramite temi sonori che consentono all’insegnante
di creare occasioni di interazione e di arricchimento
durante le sessioni di narrazione.
La storia si articola in diverse scene, una per ogni
episodio della storia. È possibile spostarsi da una
scena all’altra, seguendo i link HTML.
Ciascuna scena è completata da una voce registrata
che racconta la storia e da animazioni dei diversi
personaggi. Ogni personaggio è associato al tema
composto da Prokofiev.
In ogni momento è possibile fermare la voce
del narratore e interagire o giocare con ogni
personaggio, manipolando il suono o la forma,
usando gli oggetti presenti sulla scena o producendo
nuovi suoni o arricchendo la musica di fondo.
In ogni scena sono presenti due timpani virtuali,
collegati a switch buttons, e una piccola tastiera.
technologies. The possibility to play different music,
to explore spatialized sounds, to record sounds and
voices, and the opportunity to play with 3D images
within a 3D space using devices as simple as touch
screens, may ensure an enhanced level of attention
from the children and may give to the teacher
new and powerful tools to convey his/her message
through the common activity. This project motivates
the use of hypermedia educational techniques
accessible to cognitively impaired children.
Minus-Two
Minus-Two is a storytelling environment mainly
characterized by a strict cooperation between
the child and the teacher or the therapist, by
multimodal interaction, sound spatialization and 3D
representation. The prototype has been tested with
more than twenty cognitively impaired and autistic
children.
As a case study and example for interactive 3D
storytelling, to emphasize the importance of the
sonorous dimension of an interactive environment,
we referred to the symphonic fairytale “Peter and the
Wolf ”, by Sergej Prokofiev.
This tale is well suited to be told via Minus-Two,
thanks to the strong characterization of the characters
involved through the musical themes and sound, and
it allows the teacher to create occasions of interaction
and exploration with the child during the storytelling
sessions.
The story gets told in different scenes, one for each
main episode of the tale. It is possible to navigate
from one scene to the other, following the HTML
links. Each scene is completed with a recorded voice
telling the story, and the animation of the different
characters, which can be taken and manipulated by
the user. Each character has assigned the famous
themes written by Prokofiev.
At any time it is possible to stop the recorded voice
telling the story, and interact and play with each
character, manipulating its shape and its sounds,
or using other objects in the scene to produce new
sounds, or to play along the background music.
Each scene provides a set of virtual drums, linked to
suitable switch buttons, and a small piano keyboard.
Working on the switch buttons or on the virtual
keys of the piano, it is possible to play the virtual
61
1.
La storia inizia introducendo
i personaggi della fiaba e
presentando il tema musicale
associato a ciascuno
The story begins introducing
the characters of the tale, and
playing the musical theme
associated with each one
2.
Prima scena: Pierino entra. È
possible esplorare l’albero e
la casa del nonno. L’orchestra
o il pianoforte solista suonano
sullo sfondo ma due strumenti
musicali sono affidati
rispettivamente al bambino e
al suo insegnante
Utilizzando gli switch buttons o la tastiera virtuale, è
possibile suonare i due strumenti virtuali.
Navigando e muovendosi nello spazio virtuale: sia il
suono sia la voce della scena e degli oggetti possono
essere percepiti differentemente muovendosi nello
spazio virtuale.
Diversi tipi di musica di sfondo vengono utilizzati
nelle scene: nella versione orchestrale che prevede
i temi realizzati da diversi strumenti e associati ai
personaggi o in versione per solo piano in modo da
consentire al bambino e all’insegnante di arricchire
con gli strumenti virtuali la musica di base,
orchestrando originali interventi. Anche il ritmo,
le dinamiche e il timbro possono essere modificati
in questi dialoghi orchestrali consentendo diverse
forme espressive e diversi esercizi di riconoscimento.
instruments. Navigating and moving through the
virtual space, both the sound and the voices of the
scene and of the objects can be perceived with a
spatialized effect.
Different types of musical backgrounds are
used within the scenes: the symphonic original
background allows to listen to the original musical
work, while moving at the same time the characters
in the scene (or just looking at the characters while
they are moving following the music).
The other type provides only a piano part, to
allow the teacher and the children to enrich and
orchestrate the background music with original
parts obtained using the interactive sound objects
(marking the rhythm, modulating dynamics,
changing the global timbre through the drums or the
piano keyboard).
It is also possible to vary the pitch of the sounds
linked to the various objects, creating variations
from a very low to a very high pitch, to obtain
stimuli of different intensity, and to train the child to
distinguish different sound and intensities.
Reverie
Il progetto REVERIE propone la costruzione
di ambienti virtuali educativi e riabilitativi che
risultino luogo dell’incontro, della comunicazione e
dell’affinamento di identità diverse e in evoluzione.
Questi luoghi possono essere uno spazio dove
62
The first scene: Pierino comes
in. It is possible to explore the
tree and grandfather’s home.
The orchestra or the piano play
in the background, but the two
missing musical instruments
are left to the child and his
teacher
3.
Palestra virtuale, secondo
scenario: l’avatar deve
raccogliere dei frutti
e attraversare il ponte
Virtual gym, second scenario:
the avatar have to collect some
fruits and then pass through
the bridge
l’identità si connette a percorsi di altre persone,
dove una persona può comprendere le proprie
potenzialità e gli sviluppi praticabili.
I contesti di utilizzo a cui si rivolge questo progetto
sono educativi e riabilitativi per persone in
situazione di disabilità, in particolar modo cognitiva
e relazionale.
L’obiettivo del progetto REVERIE è la definizione e
implementazione di un framework, e di un insieme
di applicazioni 3D (storytellers, giochi di ruolo,
palestre virtuali) che ne costituiscono una sorta di
esemplificazione di utilizzo.
Il disegno del framework e degli applicativi di
esemplificazione ha curato che i contesti risultassero:
significativi, aperti, metaforici, cooperativi,
multimediali, archiviabili.
Metafora e multimedialità
REVERIE consente di approfondire la metafora
dell’esplorazione topologica 3D applicata ai
tre contesti di narrazione, assunzione di ruolo,
esercitazione visuospaziale; particolare attenzione
è stata posta alla gestione degli aspetti spaziali del
4.
Disposizione degli
effetti force feedback e un
possibile percorso cognitivo
nell’applicazione “Palestra
virtuale”
Disposition of the force
feedback effects and definition
of a possible cognitive path
within the application Virtual
gym
Reverie
The REVERIE project allows to build virtual
environments for education and rehabilitation,
especially devoted to children with cognitive and
relational impairments.
Virtual environments for storytelling, role playing and
virtual gym, allow the children to live more rich and
flexible experiences in cooperation with the teacher or
the therapist.
Virtual environments allow to explore, to dialogue
using texts, voice or gestures and to cooperate.
The general framework supports the creation of new
exercises and new environments as often required by
teachers and therapists.
The design of the framework and of the sample
applications have been carried out to build
meaningful, open, metaphoric, multimedial, contexts.
Metaphor and multimedia
REVERIE deepens the metaphor of the 3D topological
exploration applied to the three contexts of narration,
assumption of role, visuospatial practice; particular
attention has been placed into the management of the
63
suono per favorire la naturalezza dell’esperienza.
È stata prevista un’interazione attraverso modalità
multiple, per permettere la scelta del mezzo più
adatto a ciascun utilizzatore.
Vengono attivati canali comunicativi significativi e
alternativi attraverso l’uso di testo, grafica, suoni.
L’interazione con l’ambiente è comunque mediata da
una rappresentazione che non tenta di colmare tutti i
vuoti nel confronto col reale; viene anzi incoraggiata
un’attività di trasposizione fantastica, qualità che si
rivela fondamentale quando il confronto diretto con
la realtà viene rifiutato o genera conflitti troppo aspri.
Apertura e significatività
REVERIE punta a realizzare applicazioni aperte
al contributo degli educatori e degli operatori
della riabilitazione, sia in termini di contenuto sia
in termini di definizione di percorsi educativi e
riabilitativi.
La possibilità per l’operatore di definire un utilizzo
al livello di competenza e di conoscenza del mondo
adeguato all’allievo è importante per stabilire un
rapporto di soddisfazione nell’interazione col
sistema.
spatial aspects of sound for empowering the nature
of the experience. An interaction through multiple
modalities has been designed, in order to allow the
choice of the best ones for each user. A number of
meaningful and alternative communicative channels
have been activated, through the use of text, graphics,
and sounds. The interaction with the environment
however is mediated by a representation that doesn’t
try to fill all the gaps in the comparison with the
reality; an activity of fantastic transposition is
indeed encouraged, a quality that has revealed to be
fundamental when the direct comparison with the
real context is refused or generates too much conflicts.
Open and meaningful
REVERIE aims to realize applications open to the
contribution of the educators and the operators
of rehabilitation, both in terms of contents and in
terms of definition of educative paths.
The possibility for the operator to define aspects
of the application at the level of competence and
knowledge of the world of the student it is important
in order to establish a satisfactory relationship in the
interaction with the system.
Cooperation
Cooperazione
REVERIE, in particular with its application of role
REVERIE, in particolare con la sua applicazione di
playing, wants to promote a modality of working
gioco di ruolo, vuole promuovere una modalità di
and an example of cooperative learning, that turns
lavoro e di apprendimento cooperativo che risulta
out to be effective both at a cognitive and a formative
essere efficace sia sul piano cognitivo, sia su quello
level.
formativo.
The companion who takes part to help or to
Il compagno che interviene ad aiutare o incoraggiare encourage a companion in difficulty, even a
l’amico in difficoltà, anche solo temporanea, impara temporary one, learns to manage not only the
a gestire non solo i contenuti di cui si sta occupando, contents about which they are working, but also the
ma anche i processi metacognitivi che ne governano metacognitive processes that govern their acquisition;
l’acquisizione; questo gli permetterà la successiva
this will allow the subsequent translation in other
traslazione in altri contesti in cui rinverrà analogie
contexts in which he will find methodological
metodologiche, al di là di differenze contingenti.
analogies, beyond contingent differences.
Dal punto di vista formativo è sviluppata nei
From the formative point of view among the
cooperatori l’autostima, il senso di dignità che deriva cooperators a sense of auto esteem is developed,
dall’essere di aiuto a un altro.
the sense of dignity that derives by being helpful for
Per l’educatore risulta un ruolo di coordinamento e another person. In the educator a role of coordination
supervisione che riguarda il gruppo nelle relazioni
and supervision is stressed regarding the group in the
bi- o multi- laterali che esso realizza con una certa
bi- or multi- lateral relations which happens with a
autonomia al suo interno.
certain autonomy in its interior.
L’immersione dell’intervento puntuale centrato
The typical immersion into the punctual intervention
sulle specifiche necessità del singolo allievo con
centered on the specific needs of the single student
64
problemi, che genera una certa perdita di prospettiva
educativa, lascia il posto a uno sguardo più esterno
che favorisce l’individuazione e la correzione di
dinamiche negative.
with problems, that generates loss of educational
perspective, leaves the place to an external look
that favors the location and correction of negative
dynamics.
65
Curare & riabilit
Treatment & reh
tare
habilitation
68.Strumentazione e tecniche di misura per la
riabilitazione bio-meccanica
Instrumentation and measurement techniques for
rehabilitation and bio-mechanics
70.Sviluppo di un arto artificiale a cinque assi
attivi per amputati e realizzazione di un
ambiente virtuale per la selezione dei pazienti e
l’addestramento all’uso della protesi
Development of an active artificial arm for
amputees with five active axes and set up of
a virtual reality system to select and train the
patients
74.Applicazione dell’analisi quantitativa della postura
e del movimento nella valutazione di pazienti con
disabilità motoria
Clinical application of quantitative analysis of
posture and movement in the evaluation of
patients with motor disabilities
80.Progettazione, prototipizzazione e test clinici
di neuroprotesi per la riabilitazione di pazienti
neurologici
Design, prototyping and clinical trials of
neuroprostheses for neuromotor rehabilitation of
neurological patients
84.Robotica per la riabilitazione
Rehabilitation robotics
88. Sviluppo di competenze specialistiche per la
ricerca e la pratica manageriale in ambito medicotecnologico
Development of managerial know-how and good
practises in medical and technological field
94.Ottimizzazione di dispositivi per emodialisi,
filtri e scambiatori per il sangue con tecniche
ingegneristiche avanzate
Optimization of hemodialysis devices, hemofilters
and blood exchangers with advanced engineering
techniques
98.Progettazione, sintesi, sviluppo e realizzazione
di supporti per la cura ed il riparo di tessuti
danneggiati mediante un approccio di Ingegneria
dei Tessuti
Design, synthesis, development and fabrication
of scaffolds for treatment and repair of damaged
tissues by Tissue Engineering approach
104.Progettazione e caratterizzazione biomeccanica
materiali e dispositivi biomedici
Design and biomechanical characterisation of
biomedical materials and devices
Strumentazione e tecniche di misura per
la riabilitazione e la bio-meccanica
Dipartimento di Meccanica
Gruppo di ricerca
Research group
Instrumentation and measurement
techniques for rehabilitation and biomechanics
Marco Bocciolone
Alfredo Cigada
Michele Gasparetto
Bortolino Saggin
Marcello Vanali
Remo Sala
Emanuele Zappa
Anno di avvio attività
Beginning of activity
2003
Cooperazioni nazionali e internazionali
National and international collaboration
Fondazione Valduce, Centro di Riabilitazione “Villa
Beretta”, Costamasnaga (LC)
CNR, Istituto per l’Energetica e le Interfasi, Lecco
Hocoma AG, Medical Engineering Volketswil,
Svizzera
L’attività di ricerca nell’ambito della riabilitazione e
della biomeccanica svolta dai ricercatori della Sezione
di Misure e Tecniche Sperimentali del Dipartimento
di Meccanica è mirata a trasferire in tale campo le
competenze specifiche delle Misure Meccaniche
e Termiche. In tali competenze sono comprese la
metrologia, le tecniche di misura tradizionali e
innovative e gli algoritmi di analisi e di presentazione
dei dati. Le attività svolte hanno riguardato
principalmente la progettazione e la realizzazione
di catene di misura dedicate ad apparecchiature
68
The researches are concerning the sensors and
measurement techniques in order to improve the
performances of existent rehabilitation devices or to
design new ones. The aims of these activities are:
- to characterize by a metrological point of view
commercial devices – like cycle-ergometer – used
in clinical and private field for the rehabilitation of
people who need a motor therapy; generally these
devices show on a display only the mean value of
clinical parameters: subject’s motor power, angular
velocity, energy, right and left leg unbalance.
- To design and to develop sensors and transducers
able to measure static and dynamic quantities useful
for the gait analysis by the clinical point of view:
position, angular velocity, acceleration, jerk, torque,
applied power and energy (both the global values
and those relative to each limb), unbalance between
left and right limb and thus bending moment on the
right and left pedals and, finally, angular position of
the pedal crank.
- To provide proper inputs to FES systems able to
1.
Cicloergometro
guide cycling also in spinal cord injured patients.
Cycle - ergometer
The adopted sensors are characterized by
appropriate metrological features and they have been
also chosen or designed in such a way not to alter the
system base structure and to guarantee patient safety
and signal wireless transmission.
At the same time Lokomat® System S55- a driven
gait orthosis used for robotic treadmill training
- performances have been analysed aiming at an
evaluation of possible improvements both in terms
of sensors and data analysis and presentation and
in terms of the machine functioning. Load cells for
per la riabilitazione motoria. Un cicloergometro
measuring the force supporting the patient weight
commerciale è stato corredato di sistemi di misura
and the force acted by patient foot on the treadmill,
per soddisfare esigenze di conoscenza delle forze,
have been designed and built. Lokomat needs some
delle coppie, dell’energia e della potenza generate dai
improvements from the mechanical and control
pazienti in riabilitazione con la possibilità di mettere
points of view as no foot movement system has
in evidenza eventuali dissimmetrie tra le azioni degli
been implemented. In fact, at the moment, the foot
arti destro e sinistro. I segnali ottenuti sono stati
is simply passively supported by a spring attached
utilizzati anche per gestire e controllare processi di
to the robotized knee articulation. In this case the
elettrostimolazione funzionale (in collaborazione
collected measurements help, not only in providing
con il Dipartimento di Bioingegneria - Laboratorio
indications about the forces acting during patient
di Tecnologie Biomediche). Per un tappeto mobile
walking, but also in designing actuators needed to
robotizzato per la camminata da fermo con l’ausilio di make patient foot movements “physiological” during
anche e ginocchi motorizzati (Lokomat® System S55) his walk.
- To develop 3D scanner based on lasers and
sono stati progettati e realizzati sensori per la misura
della forza di sollevamento del piede e di sostegno del cameras: these devices are useful to measure the
paziente; tali dati sono stati correlati a quelli ottenuti
geometry of orthoses and limbs (upper and lower).
dalla misura delle accelerazioni sia dell’esoscheletro
del Lokomat sia degli arti inferiori dei pazienti in
riabilitazione. Sono stati inoltre sviluppati scanner
3D a non contatto basati su tecniche di visione per
l’identificazione geometrica di distretti corporei.
69
Sviluppo di un arto artificiale a cinque
assi attivi per amputati e realizzazione
di un ambiente virtuale per la selezione
dei pazienti e l’addestramento all’uso
della protesi
Development of an active artificial arm
for amputees with five active axes and
set up of a virtual reality system to select
and train the patients
Dipartimento di Elettrotecnica
Gruppo di ricerca
Research group
Federico Casolo
Paolo Righettini
Giancarlo Cusimano
Francesco Castelli Dezza
Hermes Giberti
Michele Camposaragna
Matteo Cocetta
Dipartimento di Elettronica e Informazione
Franco Zappa
Anno di avvio attività
Beginning of activity
2000
Cooperazioni nazionali e internazionali
National and international collaboration
Università di Brescia
Centro Protesi Inail, Vigoroso di Budrio (BO)
Università di Bergamo
Ospedale Buzzi, Istit. Clinici di Perfez., Milano
Università di Parma
TU Delft, Olanda
I.S.B. Technical group on Computer Simulation in
Biomechanics, Olanda
La ricerca concerne lo sviluppo del progetto di un
arto artificiale con più di due articolazioni attive (cioè
motorizzate) per amputati totali di braccio. Il sistema
è modulare, perciò i suoi componenti possono essere
utilizzati anche per protesi di amputati transomerali.
La ricerca risponde a una precisa esigenza del
settore, perché attualmente non è disponibile in
commercio alcun sistema simile, dotato ad esempio di
un’articolazione spalla attiva.
Il prototipo attualmente in fase di costruzione
70
The research develops the project of an artificial
arm with more than 2 active (motorized) joints, for
amputees of whole arm. The system is modular, so that
its components can be used also in prosthesis for partial
amputations. At present, in fact, no comparable system,
featuring an active shoulder, are commercially available.
The arm prototype, presently under construction, is
the result of several different projects developed in the
past few years; projects that, in some cases, gave birth
to partial prototypes of artificial shoulder or elbow,
rappresenta l’evoluzione di progetti sviluppati negli
ultimi anni, che in qualche caso hanno dato luogo ad
altri prototipi parziali di spalla e di gomito, l’ultimo
dei quali ha superato brillantemente i test clinici sui
pazienti amputati.
La parte meccanica si basa sull’uso di sistemi di
trasmissione innovativi, che hanno richiesto la
costruzione e l’analisi sperimentale delle prestazioni
di varie soluzioni tecniche differenti prima della loro
messa a punto. L’attuale soluzione prevede due assi
attivi alla spalla, uno al gomito e uno al polso più
le articolazioni della mano (la mano utilizzata è un
prodotto commercialmente disponibile che risulta
avere prestazioni adeguate).
I requisiti fondamentali perché un arto artificiale
possa essere accettato dai pazienti sono: l’estetica
adeguata, il peso contenuto, la silenziosità, la facilità
d’uso, l’autonomia della carica delle batterie,
l’affidabilità. È ormai dimostrato in generale che
quando uno di tali requisiti non risulta soddisfatto, la
protesi viene poco usata se non rifiutata dal paziente.
Nonostante il progetto meccanico, con i vincoli posti
dal problema, sia piuttosto impegnativo, la questione
più critica per lo sviluppo dell’intero sistema d’arto
artificiale riguarda la messa a punto di una adeguata
strategia per il comando della protesi.
L’elevato numero di gradi di libertà del sistema
non permette di utilizzare le tecniche di comando
attualmente adottate per gli arti artificiali che
raramente hanno più di due assi di rotazione
attivi. Esse prevedono un selettore meccanico
o elettromiografico per scegliere l’articolazione
da avviare e attuatori a comando meccanico o
elettromiografico per muovere l’articolazione,
generando in tal modo il movimento sequenziale,
molto innaturale, dei segmenti dell’arto.
Per rendere più intuitivo e meno stressante il
compito del paziente, il nostro approccio innovativo
richiede di comunicare al sistema solo le successive
posizioni volute per la mano trascurando il moto
degli altri segmenti che viene automaticamente
calcolato dal software del sistema. Per le attuali prove
preliminari la posizione della mano viene ottenuta dal
paziente muovendo la testa, garantendo movimenti
sufficientemente fluidi. Le fasi della ricerca finora
svolte hanno permesso di costruire vari prototipi
sia di spalla sia di gomito e la soluzione attuale vede
1.
Struttura meccanica senza
cosmesi di uno dei prototipi a
cinque gradi di libertà attivi
Mechanical structure without
cosmesis of a five active d.o.f.
prototype
the last of which has been employed, with brilliant
performances in long term clinical tests, on amputees.
The mechanical part is based on innovative
transmission systems whose set-up followed the
construction of different technical solutions and the
experimental tests on their performances.
The present solution features two active axes for
the shoulder, one for the elbow, one for the wrist,
besides the hand’s joints (for the hand, a commercial
prosthesis has been used, which proved to perform
adequately).
Major requirements of an artificial arm, as to the
patients’ acceptance, are: aesthetic quality, moderate
weight, silentness, usability, long battery charge
duration, reliability. It is proved that, in general, when
one of these requirements is not satisfied, the use of a
prosthesis is very limited, or even refused.
Even if the mechanical project for the artificial
arm, with all these constraints, is very challenging,
the critical matter for the entire system lies in the
command strategy of the prosthesis. In fact, due to the
numerous degrees of freedom featured by our system,
the application of drivimg techniques currently
71
used for an artificial limb –that rarely presents more
than two active rotation axes - is impossible. Those
techniques use mechanical or electro-miographic
selectors to choose the joint to be activated, and
mechanically or electro-miographically driven
actuators to move the joint itself; in this way they
generate the sequential movement – very unnatural
- of the limb segments.
2.
Ambiente virtuale per la
Our innovative approach tries to make more
valutazione della destrezza dei
spontaneous and less stressful the patient’s duty:
pazienti
Virtual environment for
it asks to report to the system only the subsequent
patients’ skill evaluation
positions of the hand, neglecting the other segments’
motion. This will be automatically calculated by the
system’s software. In the preliminary tests, at present,
the hand position is driven by the head movements,
which grants a sufficiently fluid action.
Up to now, the research phases led to the construction
of several prototypes, shoulder and elbow as well,
and a complete system has already been assembled
that could undergo a preliminary clinical testing. In
the next phases we intend to re-design - in order to
miniaturize - the hardware needed for the real-time
elaboration of data (from the head motion) and for
the control of micro-motors, positioned as follows: 2
un sistema complessivo che è già stato assemblato
shoulder, 1 elbow, 1 wrist, 1 for the grip.
e potrebbe essere utilizzato per la sperimentazione
In order to check this new approach to the command
clinica preliminare. Le fasi successive della ricerca
strategy, we developed also a virtual reality system
prevedono di riprogettare per miniaturizzarlo
where it is possible to move a virtual arm with the
l’hardware necessario per elaborare in real-time i
same sensors as those designed for the real prosthesis.
dati necessari per rilevare il movimento della testa e
In this way the medical structure desiring to use our
controllare il movimento dei micro-motori (due per
system will be able, preliminarily, to verify the patients’
la spalla uno per il gomito uno per il polso e uno per
attitude towards the use of a motorized prosthesis: it is
la presa).
not rare in fact that some patients reject sophisticated
Per verificare la bontà del nuovo approccio al
prosthetic systems, and this is probably due to a quite
comando dell’arto è stato sviluppato un sistema di
superficial evaluation of their potentials.
realtà virtuale mediante il quale è possibile muovere
The virtual station shows a natural projection (on a
un braccio virtuale utilizzando gli stessi sensori che
maxi-screen in front of the patient) of an artificial
equipaggeranno la protesi reale.
arm and a room with several objects to be reached in
Tale sistema permette alla struttura clinica che lo
a prearranged sequence. The time necessary to reach
utilizza di verificare in via preliminare l’attitudine dei objects, as well as the trajectories followed by the
pazienti all’uso di una protesi motorizzata: il problema virtual hand are analysed. This virtual exercises are
dell’abbandono dei sistemi protesici sofisticati da
also useful to train the patients, to avoid stress and
parte di alcuni pazienti non è raro, ed è probabilmente dangers during the tests, to follow and certify their
legato a un procedimento troppo superficiale per la
motor learning achievements.
valutazione delle potenzialità del paziente.
As above mentioned, the virtual station was
La postazione virtuale presenta al paziente nella
initially devised to help the experimentation of
proiezione naturale un arto virtuale (su un grande
new commanding methods for total (shoulder
72
schermo di fronte al paziente) e una stanza con
vari oggetti da raggiungere con la mano in una
sequenza preordinata. Vengono analizzati oltre al
tempo impiegato per raggiungere gli oggetti anche le
traiettorie percorse dalla mano virtuale.
Gli esercizi in realtà virtuale, oltre a permettere
di valutare la predisposizione dei pazienti all’uso
dell’arto artificiale senza sottoporli allo stress e ai
pericoli connessi alle prime prove di utilizzo della
protesi, permettono anche di allenare i pazienti e di
monitorare e certificare i progressi raggiunti dal punto
di vista motorio.
La postazione virtuale, inizialmente sviluppata
principalmente per agevolare la sperimentazione
di nuove strategie di comando delle protesi totali
di arto superiore (cioè che includono la spalla) che
sono attualmente solo in fase di sperimentazione
preliminare, è stata poi adattata e quindi utilizzata
anche per sistemi di protesi ormai clinicamente diffusi
come gli arti artificiali per amputazioni transomerali,
che perciò sono solo dotati di gomito e mano
artificiali. Per quest’ultima applicazione è necessario
rilevare anche il movimento del moncone residuo
del paziente a cui dovrà essere applicata la protesi.
Anche in questo caso si possono valutare le attitudini
dei pazienti all’uso della protesi e monitorare i loro
progressi motori.
Si noti che l’arto artificiale rappresentato nella
postazione virtuale ha un comportamento molto
simile a quello della protesi reale in quanto il modello
dinamico utilizzato per la simulazione tiene conto delle
caratteristiche dei motori utilizzati, del rendimento
delle trasmissioni e dei carichi dinamici applicati al
sistema; il movimento della mano virtuale (come il
movimento di quella protesica) risulta quindi sfasato
rispetto al comando in relazione all’esercizio svolto.
Il sistema virtuale sviluppato è in via di evoluzione
e incontra il favore dei clinici di riferimento anche
perché permette loro di monitorare e certificare
l’evoluzione o il peggioramento delle capacità motorie
dei pazienti amputati.
Per i pazienti con amputazioni totali di una o due
braccia l’adozione di un arto artificiale come quello
sviluppato dal Dipartimento di Elettrotecnica riveste
una importanza fondamentale, sia per il recupero
fisico sia per quello sociale, permettendo loro di
recuperare funzionalità altrimenti precluse.
3.
Soggetto durante
l’addestramento all’uso delle
protesi
Subject during the training to
use the prosthesis
included) upper limb prostheses, which are now
under preliminary tests; later the station was adapted
and utilized also for more common prosthetic
systems, clinically diffused as those for trans-humeral
amputations, composed only of artificial elbow
and hand. For the latter application, data from the
movement of the patient’s stump also need to be
recorded, allowing thus the evaluation of the patients’
ease with the prosthesis and the monitoring of their
progresses. It has to be noticed that the artificial arm
represented in the virtual station, behaves similarly
to the real prosthesis because the dynamic model
used for the simulation includes: electric motors
characteristics, transmissions efficiency and dynamic
loads applied to the system. Therefore the virtual hand
movements – such as the real prosthesis ones – are
generally delayed with respect to the target. Physicians
appreciate this virtual reality system because it allows
to monitor and certify the improvement or the
worsening of the patients motion capability.
Nevertheless we believe that our artificial limb of
new conception could make the difference for total
amputees, for physical and social recovery as well.
73
Applicazione dell’analisi quantitativa
della postura e del movimento nella
valutazione di pazienti con disabilità
motoria
Clinical application of quantitative
analysis of posture and of movement in
the evaluation of patients with motor
disabilities
Dipartimento di Bioingegneria
Gruppo di ricerca
Research group
Marcello Crivellini
Manuela Galli
Veronica Cimolin
Chiara Rigoldi
Francesco Menegoni
Marianna Romei
Anno di avvio attività
Beginning of activity
1995
Cooperazioni nazionali e internazionali
National and international collaboration
IRCCS “San Raffaele”-Tosinvest Sanità, Roma
Istituto Medea “La Nostra famiglia” di Bosisio Parini (LC)
IRCCS “Istituto Auxologico Italiano”, Piancavallo (VB)
“Down Syndrome Research Foundation and Centre
for Human Movement Analysis (CHUMA)”, Queen
Alexandra Centre for Children’s Health, Victoria,
Canada
IBR (Institute of Basic Research for Developmental
disabilities), Staten Island, New York, USA
Children’s University Hospital Basel (UKBB), Basel,
Svizzera
Institute of Exercise Biology and Physiotherapy,
University of Tartu, Estonia
Fundation Teleton por Rehabilitation, San Salvador,
El Salvador
Sito web
Website
http://www.movlab.it
74
Dal 1994 è attiva presso il Laboratorio di Analisi
della Postura e del Movimento “Luigi Divieti”, del
Dipartimento di Bioingegneria del Politecnico di
Milano una attività di ricerca nata dall’esigenza di
valutare quantitativamente e multifattorialmente la
postura e il movimento umano per la valutazione
di pazienti con patologie associate ad alterazioni del
movimento.
La clinica ha la necessità, infatti, di avere
informazioni quantitative, tridimensionali, relative
sia alla cinematica che alla dinamica del movimento
in esame in alternativa alla ripresa video tradizionale
che fornisce informazioni qualitative, bidimensionali
e relative solo alla cinematica del movimento.
L’attività di ricerca del Laboratorio “Luigi Divieti”
risponde a tale esigenza in quanto utilizza l’analisi
quantitativa 3D e multifattoriale (cioè completa di
informazioni sia della cinematica sia della dinamica)
della postura e del movimento in generale, e in
particolare del cammino (Gait Analysis, GA), per la
valutazione di soggetti affetti da diverse patologie
quali: Paralisi Cerebrale Infantile (PCI), Sindrome
di Down (SD), Morbo di Parkinson, Disturbi
dell’alimentazione (obesità, anoressia, bulimia),
Mielomeningocele, Ostoegenesi Imperfetta,
Paraparesi Spastica Ereditaria, altre patologie
associate ad alterazioni del movimento.
Nella valutazione dei soggetti affetti da tali patologie,
l’analisi quantitativa del movimento riveste, infatti,
una considerevole importanza dal punto di vista
clinico in quanto permette di :
- definire il livello di limitazione funzionale e di
disabilità conseguente alla patologia e il suo evolversi
con la crescita e /o l’invecchiamento dell’individuo;
- identificare percorsi riabilitativi e terapeutici
adeguati alla condizione del singolo paziente;
- valutare e quantificare gli effetti dei diversi
trattamenti e monitorare tali effetti nel tempo.
Since1994 ”, the Luigi Divieti” Posture and
Movement Analysis Laboratory, in the
Bioengineering Department of the Politecnico di
Milano, has conducted research that originated from
the need to evaluate human posture and movement,
quantitatively and multifactorially, in order to
evaluate patients with motor disabilities.
Clinical institutes need, in fact, quantitative and
3D information, regarding not only kinematics but
also kinetics of the movement being considered
as alternative to traditional video recording
of movement which provides qualitative and
bidimensional information regarding the movement
kinematics alone.
The activity of research of “Luigi Divieti” Posture
and Movement Analysis Laboratory answers
this necessity, since it uses quantitative 3D and
multifactorial analysis (concerning both kinematics
and kinetics of movement) posture and movement
in general, and in particular gait (Gait Analysis,
GA), to conduct the evaluation of patients affected
by different diseases:
Cerebral Palsy (CP), Down Syndrome (DS),
Parkinson’s disease, Eating disorders (obesity,
anorexia, bulimia), Myelomeningocele, Osteogenesis
Imperfecta, Hereditary Spastic Paraparesis, other
pathological conditions connected to motor
disorders.
In the evaluation of patients affected by these
diseases, quantitative analysis of movement is of
considerable clinical importance, because it permits:
- definition of the level of functional limitation
and of disability concerning a disease and its
development during subject growth and/or aging;
- identification of rehabilitative and therapeutic
programmes on the basis of patient condition;
- evaluation and quantification of the effects of
the various treatments and the monitoring of such
effects over time.
Materiali e Metodi
Il Laboratorio di Analisi della Postura e del Movimento
“Luigi Divieti” si avvale di un sistema optoelettronico
per ottenere le informazioni relative alla cinematica
del movimento, piattaforme di forza per misurare
le forze scambiate al terreno, un elettromiografo di
superficie per acquisire il segnale elettrico associato alla
contrazione muscolare e un sistema di ripresa video.
Material and Methods
The equipment present in the ”Luigi Divieti” Posture
and Movement Analysis Laboratory comprises
an optoelectronic system, in order to obtain
information regarding kinematics of movement,
force platforms to measure the system of ground
reaction forces, an electromyography system to
75
L’attività svolta dal Dipartimento di Bioingegneria
in questa ricerca è focalizzata sulla definizione di
protocolli sperimentali che rispondano ai quesiti
emergenti dalla clinica (valutazioni di task motori
specifici), sulla definizione di database di normalità
per ciascun movimento, sull’identificazione di
parametri significativi atti a caratterizzare il
movimento e sull’implementazione di software
specifici per una migliore e agevole refertazione
clinica. Tali risultati sono poi trasferiti ai centri
clinici che collaborano all’attività di ricerca (per
la maggior parte anch’essi dotati di laboratori con
tecnologia analoga a quella del Laboratorio “Luigi
Divieti”), i quali applicando tali metodologie
ai soggetti patologici utilizzano le informazioni
quantitative ottenute al fine di supportare e integrare
le classiche valutazioni cliniche e funzionali.
Ciò è reso possibile da continui scambi di dati e
informazioni, incontri periodici, video conferenze,
seminari didattici e scientifici e stesura di lavori per
pubblicazioni.
L’attività di ricerca si avvale anche di collaborazioni
nazionali e internazionali con alcuni istituti che si
occupano delle problematiche in oggetto.
Principali risultati ottenuti
Vengono riportati i principali risultati ottenuti in
seguito all’esperienza maturata nel corso di questa
attività relativamente alla valutazione degli effetti
di alcuni trattamenti riabilitativi più significativi,
mediante l’applicazione della valutazione quantitativa
della postura e del cammino (Gait Analysis).
Trattamento con tossina botulinica in bambini con
Paralisi Cerebrale Infantile
La tossina botulinica rientra all’interno dei
trattamenti farmacologici della spasticità e provoca
una temporanea e reversibile riduzione del tono del
muscolo in cui viene iniettata. L’effetto può durare
da sei settimane ad alcuni mesi. Tale trattamento
non sostituisce l’intervento chirurgico, ma può
posticiparlo nel tempo, quando cioè il paziente è più
grande e meno esposto a eventuali complicazioni,
evitando così l’insorgere di contratture muscolotendinee e di deformità ossee. I risultati di questo
progetto dimostrano il ruolo fondamentale
dell’analisi quantitativa del movimento nella
76
record the electrical signals generated by muscle
contraction, and a video recording system.
The activity of the Bioengineering Dept. in this
research area is focused on the definition of
experimental protocols designed to solve the clinical
needs (evaluation of particular motor tasks), on the
creation of a normative database for each movement,
on the identification of significant parameters
useful for movement characterization and on the
implementation of software to obtain better and
easier clinical reporting.
These results are subsequently transferred to
clinical institutes which also act as research
partners (most of them have equipment which is
analogous to that of the ”Luigi Divieti” Posture and
Movement Analysis Laboratory) and they apply
these methodologies to pathological subjects using
quantitative data, in order to confirm and integrate
information with classic clinical and function
evaluations.
These close collaborations are characterised
by constant exchange of data and information,
periodical meetings, video conferences, didactic
and scientific seminars and preparation of scientific
documents for publication.
Research also involves national and international
collaborations with several clinical institutes which
treat the relevant diseases.
Main results
The main results concerning the evaluation of the
effects of the most significant treatments, using
quantitative analysis of posture and gait (Gait
Analysis), are here reported.
- Evaluation of botulinum toxin treatment in
children with Cerebral Palsy
Botulinum toxin is a pharmacological treatment
for the spasticity in Cerebral Palsy and it produces
temporary dose-dependent chemical denervation
of the treated muscle. The effect of the toxin is
a reduction of muscle tone that can last from 6
weeks to several months. This treatment does not
represent an alternative to orthopaedic surgery, but
it can delay the need for surgical intervention until
the patient is older and less exposed to the risk of
complications or the need for repeated operations,
avoiding the development of fixed contractures and
valutazione del trattamento con tossina botulinica
perché, oltre a quantificare gli effetti del trattamento
e di definire quindi se una determinata dose di
farmaco ha avuto effetto, permette di determinare
in modo preciso quando il farmaco ha terminato
la sua azione, rendendo possibile quindi la
programmazione dell’inoculazione successiva.
In particolare, la valutazione mediante l’analisi
quantitativa del movimento di bambini con PCI
che hanno subito inoculazione di tossina botulinica
nel gastrocnemio per il trattamento del piede
equino, dopo 2 mesi dal trattamento, ha mostrato
che gli effetti sono evidenti sia alle articolazioni
direttamente legate al muscolo trattato, cioè caviglia
e ginocchio, ma anche all’anca, evidenziando un
miglioramento generale del cammino. In termini
di rigidezza articolare della caviglia, il trattamento
riduce il valore di tale indice, mostrando un
miglioramento in termini di rigidezza articolare.
torsional bone abnormalities. The results of this
project reveal that quantitative analysis of movement
plays a great role in the evaluation of botulinum
toxin treatment because it quantifies the effects
of the treatment and the effectiveness of injected
dose, and it identifies when the toxin ends its effect,
giving important indications for programming the
next inoculation. In particular, the evaluation with
quantitative analysis of movement in children with
CP treated with botulinum toxin injection into
gastrocnemius muscle for correction of equinus foot
deformity, 2 months after the inoculation reveals
that effects are not only at joints directly connected
to gastrocnemius muscle, such as knee and ankle
joints, but also at hip joints, showing a general
improvement of gait pattern.
Concerning ankle joint stiffness, the treatment
reduced the value of this index, demonstrating an
improvement of joint stiffness.
Trattamento chirurgico ortopedico in bambini con
Paralisi Cerebrale Infantile
Il trattamento chirurgico ortopedico in genere
prevede l’allungamento di muscoli e/o tendini, al
fine di indebolire i muscoli spastici e di ridurne la
spasticità e le contratture. In alcuni casi, quando
sono presenti deformità ossee come anteversione
femorale o torsione tibiale, sono necessari anche
trattamenti a livello osseo. In letteratura ci si avvale
di un’ampia esperienza in termini di utilizzo della
Gait Analysis per l’identificazione del trattamento
chirurgico adeguato e per la quantificazione degli
effetti del trattamento sulla strategia deambulatoria
del paziente. La nostra esperienza relativa alla
valutazione degli effetti dell’allungamento del
tendine d’Achille effettuato su bambini con PCI per
la correzione del piede equino evidenzia che dopo
12 mesi dall’intervento si osservano significativi
miglioramenti in termini di cinematica e di
dinamica delle principali articolazioni.
Evaluation of orthopaedic surgery in children with
Cerebral Palsy
Orthopaedic surgery generally involves surgery
on muscles and/or tendons, in order to weaken
or shorten muscles and reduce spasticity and
contracture.
In addiction, surgery on bones may be indicated,
particularly when there is axial malalignment such
as femoral anteversion or tibial torsion. Much has
been published in the regarding the application of
Gait Analysis to identify the optimal surgery and to
quantify its effects on gait strategy of the patient.
Our experience on the quantitative evaluation of
Achilles tendon lengthening to treat equinus foot
deformity in children with CP shows that 12 months
after surgery some significant improvements in
kinematics and kinetics of main joints are evident.
Valutazione di ortesi
Per cercare di rendere meno difficoltosa la
deambulazione e per correggere atteggiamenti
motori errati degli arti inferiori vengono realizzati
numerosi ausilii e strumenti ortopedici. Appare
evidente quindi come individuare l’ortesi più adatta
Orthesis evaluation
In order to assist gait and to correct some abnormal
motor strategies of lower limb joints, a lot of
assistive devices for the deambulation are used.
The importance of the correct choice of orthesis
for the patients is evident: quantitative analysis of
posture and movement, showing and quantifying the
postural and walking strategy, enables the correct
orthesis for the patient to be designed. In this way,
77
per il paziente in esame sia di enorme importanza;
l’analisi della postura e del movimento, mettendo
in risalto gli aspetti non corretti della postura e del
cammino e soprattutto quantificandoli, permette
quindi di progettare un’ortesi “ad hoc” per il
soggetto. Questo, oltre ai vantaggi direttamente
connessi alla qualità di vita del paziente e ai tempi
del suo recupero, implica notevoli vantaggi anche
da un punto di vista economico, perché consente
di individuare in tempi più brevi l’ortesi ottimale
per il singolo paziente, limitando il numero di
modelli da realizzare prima di trovare quella dotata
dei requisiti necessari. I risultati ottenuti in questa
attività hanno permesso di quantificare in modo
dettagliato se l’ortesi in uso determina nel paziente
un miglioramento della limitazione funzionale
associata alla patologia.
Valutazione del trattamento mediante L-dopa per la
riabilitazione del paziente con Morbo di Parkinson
Al fine di ridurre il tremore caratteristico del Morbo
di Parkinson vengono spesso utilizzati farmaci
quali L-dopa. Mediante valutazione quantitativa
del movimento è possibile caratterizzare nella
situazione di assenza del farmaco (stato OFF) la
limitazione funzionale del paziente e a seguito
della somministrazione del farmaco quanto tale
limitazione venga ridotta.
Valutazione del movimento in pazienti con Sindrome
di Down prima e dopo trattamento riabilitativo
In termini di valutazione dei soggetti con Sindrome
di Down, l’attenzione è stata focalizzata sull’analisi
della deambulazione indagando l’influenza che
l’ipotonia muscolare e la lassità legamentosa
esercitano sul pattern locomotorio di questi soggetti.
I risultati della nostra esperienza dimostrano
che mediante l’identificazione di indici specifici
ottenuti dai dati di Gait Analysis, quali ad esempio
la rigidezza articolare, è possibile ricondurre le
anomalie nel pattern locomotorio dei soggetti con
SD principalmente a un alterato apprendimento delle
sinergie motorie e posturali, alla lassità legamentosa
e ad un’ipotonia muscolare generalizzata. Avendo
a disposizione tali informazioni è stato possibile
definire un percorso riabilitativo personalizzato per
ciascun paziente che in giovane età possa prevenire
78
not only are there the advantages directly connected
to the quality of life of patients, but there are also
economic advantages, because this quantitative
information allows the correct orthesis to be
ascertained in a short time reducing the number
of orthesis to perform before finding the correct
one. The results obtained in this activity of research
have quantified whether a particular model of
orthesis improves the patients’functional limitation
associated with the disease.
Quantitative analysis of Levodopa treatment in
patients with Parkinon’s disease
Patients with Parkinson’s Disease have abnormal
voluntary movements and gait, treated
pharmacologically using Levodopa .
Via the quantitative analysis of movement it is
possible to characterise the functional limitation of
patients in the OFF state (without treatment) and
the effects of Levodopa treatment.
Quantification of movement in patients with Down
Syndrome before and after rehabilitative treatment
The evaluation in patients with DS was focused
on the analysis of gait strategy, investigating the
influence of muscular hypotonia and ligament laxity
on gait pattern.
The results of our experience show that the
abnormal gait pattern in DS patients, represented by
parameters obtained by Gait Analysis, such as ankle
joint stiffness, are directly connected to abnormal
postural and motor synergies learning, to ligament
laxity and muscular hypotonia.
Using quantitative information it is possible to
define a rehabilitation program for each patient, in
order to prevent and then to correct abnormalities
in gait strategy when patients are young, thereby
improving their quality of life.
The obtained results are excellently integrated with
clinical results and in the light of our experience
it may be concluded that the use of quantitative
analysis of posture and movement has radically
changed the rehabilitation program of patients with
motor disabilities, inasmuch as it permits
- identification of the best treatment for each
patient, since detailed information on functional
e successivamente rimediare ai pattern locomotori
anomali, permettendo quindi una migliore qualità
di vita.
limitation is available;
- evaluation, quantitatively and multifactorially, of
the effects of rehabilitation treatments.
I risultati ottenuti hanno un’ottima integrazione con
i risultati clinici e alla luce della nostra esperienza
si può concludere che l’uso dell’analisi quantitativa
della postura e del movimento applicata al
paziente con disabilità ha cambiato radicalmente il
trattamento riabilitativo, in quanto ha consentito:
- di scegliere meglio il tipo di trattamento più
idoneo al singolo paziente, avendo a disposizione
informazioni dettagliate sulla sua limitazione
funzionale;
- di valutare quantitativamente e multifattorialmente
gli effetti dei trattamenti riabilitativi.
79
Progettazione, prototipizzazione
e test clinici di neuroprotesi per la
riabilitazione di pazienti neurologici
Design, prototyping and clinical trials
of neuroprostheses for neuromotor
rehabilitation of neurological patients
Dipartimento di Bioingegneria
Gruppo di ricerca
Research group
Giancarlo Ferrigno
Alessandra Pedrocchi
Simona Ferrante
Anno di avvio attività
Beginning of activity
2001
Cooperazioni nazionali e internazionali
National and international collaboration
Villa Beretta, Ospedale Valduce, Como
Associazione tra e per i medullolesi, Associazione
Paraplegici Lombardia, Milano
Reparto di Neurologia, Istituto Auxologico,
Piancavallo (VB)
Implanted device group University College London,
UK
Max Planck Institute, Magdeburg, Germania
Lo scopo di questa attività di ricerca è lo sviluppo
di neuroprotesi per sostituire funzioni perse in
individui con lesioni neurologiche.
Una neuroprotesi è definita come un ausilio o un
sistema basato sulla stimolazione elettrica funzionale
(FES) usata per sostituire una funzione neurologica.
Il concetto consiste nell’applicare correnti elettriche
a tessuti eccitabili al fine di attivare i motoneuroni
intatti usando elettrodi di superficie o impiantati.
La condizione necessaria per l’utilizzo della
stimolazione neuromuscolare è quella di avere i
80
Aim of this research activity is the development of
neuroprostheses to supplement or replace a lost
function in neurologically impaired individuals.
A neuroprosthesis is defined as a functional electrical
stimulation (FES) device or system used as a
substitute for lost neurological function. The concept
is to apply electrical current to excitable tissue in
order to activate the intact lower motor neurons
using implanted or superficial electrodes. Necessary
condition for the use of neuromuscular electrical
stimulation is to have intact lower motor neurons and
1.
Apparato sperimentale per il
movimento di flesso-estensione
del ginocchio. Si osservano
gli elettrodi di stimolazione e
l’elettrogoniometro per la misura
dell’angolo al ginocchio
Experimental setup for
knee flex-extension FES
induced movement.
Stimulator electrodes and
electrogoniometer are visible
motoneuroni a valle della lesione intatti e giunzioni
neuromuscolari e muscoli sani, come succede in
soggetti mielolesi, emiplegici con cerebral palsy e con
sclerosi multipla.
Considerando l’impossibilità di recupero dei
mielolesi, lo sforzo clinico è stato particolarmente
diretto verso la riduzione della disabilità motoria per
ripristinare un’indipendenza motoria, per recuperare
un buon livello di autosufficienza e per migliorare la
condizione clinica generale. Le tecniche tradizionali
sono finalizzate al recupero di una soddisfacente
qualità di vita tramite esercizi di riabilitazione
e ginnastica passiva. Alcuni degli obiettivi
riabilitativi sono l’aumento del tono muscolare,
il miglioramento della circolazione periferica e
cardiaca evitando la comparsa di piaghe da decubito
e la prevenzione della rigidità articolare.
Nei pazienti emiplegici la neuroprotesi diventa
anche terapeutica infatti potrebbe permettere
l’apprendimento di nuove strategie motorie al
sistema nervoso centrale sfruttando le capacità
residue; è stato per questo proposto il termine di
terapia elettrica funzionale (FET).
healthy neuromuscular junctions and muscles, as is
usually the case with spinal cord injury (SCI), stroke,
head injuries, cerebral palsy, and multiple sclerosis.
Considering the impossibility of the SCI recovery,
the clinical effort has been particularly directed
towards the motor disability reduction in order
to restore some motor independence, to recovery
a good level of self sufficiency and to improve the
general clinical condition. The traditional techniques
are aimed at the recovery of a satisfactory quality
of life with rehabilitation exercises and passive
gymnastic. Some of the rehabilitation objectives are
the increase of the muscular tone, the improvement
of the peripheral and cardiac circulation avoiding
the comparison of decubitus ulcera and the
prevention of articular rigidity. In stroke patients
the neuroprosthesis becomes also therapeutic in fact
it would allow the learning of new motor strategies
to the CNS exploiting the residual capacity; it was
hence proposed the term functional electrical
therapy (FET).
A major limitation of many FES applications is that
muscles tend to fatigue very rapidly. Therefore one
81
2.
Apparato sperimentale per
l’esecuzione del movimento
ciclico di pedalata
Experimental setup for cycling
3.
Apparato sperimentale per
l’esecuzione del movimento di
sollevamento da seduto. Questo
dispositivo è utilizzato per il
condizionamento muscolare
Experimental setup for FES
induced sit to stand movement
used for patient muscular
conditioning
In questa attività di ricerca l’attenzione è focalizzata
su tre movimenti: la flesso estensione del ginocchio,
l’alzata da seduto e ritorno e la pedalata. Le figure
riportate mostrano i tre diversi setup sperimentali
che sono stati sviluppati al NITLAB (Laboratorio
di Neuroscienze e Information Technology), un
laboratorio del TBMLAB (Laboratorio di Tecnologie
Biomediche).
Gli obiettivi riabilitativi raggiunti attraverso le
neuroprotesi svilluppate variano nei tre diversi
movimenti. Nella flesso estensione del ginocchio reti
neurali artificiali sono usate per ritardare la comparsa
del fenomeno dell’affaticamento muscolare; nello
standing up sitting down lo scopo è la produzione
di un movimento accurato e dolce; nella pedalata la
strategia di stimolazione opportunamente ottimizzata
produce movimenti prolungati per migliorare le
condizioni cliniche globali.
Per quanto riguarda il movimento della pedalata, che
è il task motorio più riabilitativo, il gruppo di ricerca
si è potuto avvalere della collaborazione del Prof.
Nick Donaldson che è il responsabile dell’ Implanted
Device Group della University College of London e
of the most difficult and appealing improvement in
FES research is the development of control systems
aiming at coping properly with the occurrence of
fatigue and optimizing the performance in order to
enhance clinical benefits.
In this research activity the attention is focused on
three movements: knee flex-extension, standing up/
sitting down and cycling. The reported pictures show
the three different experimental setups developed
at NITLAB (Neurosciences and Information
Technology Laboratory) a laboratory of the
TBMLAB (Biomedical Technologies Laboratory).
The rehabilitation objectives achieved through
the developed neuroprostheses are variable within
the three motor tasks. In the knee flex extension
movement artificial neural networks are used to
delay the occurrence of fatigue; in standing up sitting
down the aim is the production of accurate and
smooth movements; in cycling, the designed strategy
produces prolonged movements to improve global
clinical conditions.
Concerning cycling movement, which is the most
rehabilitative movement, our research group is
82
dell’Ing. Thomas Schauer che lavora al Max Planck
Institute di Magdeburg. Tali collaborazioni hanno
permesso di produrre strategie di stimolazione
ottimizzate per la pedalata indotta dalla FES.
Un importante problema da affrontare quando si è
sviluppata una neuroprotesi è quello di capire come
trasferire il tutto dall’ambiente di laboratorio alla
clinica. Questo richiede di includere le tecnologie
sviluppate e i sistemi di controllo implementati in
ausili commerciali, economicamente competitivi e,
allo stesso tempo, facili da usare in clinica.
La collaborazione con l’ospedale Valduce di Como,
che è all’avanguardia nel settore della riabilitazione,
offre la possibilità di avere una valutazione clinica
dell’efficacia della neuroprotesi sui pazienti.
Per questo sono stati sviluppati protocolli di
riabilitazione ed è stata attivata una campagna
sperimentale sui pazienti, che ha fatto già emergere i
primi interessanti risultati.
working in collaboration with Prof. Nick Donaldson
who is the head of the Implanted Device Group
of the University College of London and with Dr.
Thomas Schauer who works at the Max Planck
Institute in Magdeburg. Within these collaboration
the group succeeded in producing an optimized
stimulation strategy for FES cycling.
An important problem to face when the
neuroprosthesis is developed is how to transfer
everything from the laboratory environments to
the clinic. This requires to include the developed
technologies and control systems in commercial
devices, economically competitive and at the same
time easy to use in these environments.
The collaboration with the Hospital Valduce Villa
Beretta, which leads the way in the rehabilitation
field, offers the possibility to have a clinical
evaluation of the efficacy of FES neuroprostheses on
patients. Therefore rehabilitation protocols specific
for the patients have been designed, an experimental
campaign on patients has just started and the first
promising results are already noticeable.
83
Robotica per la riabilitazione
Dipartimento di Elettronica e Informazione
Rehabilitation robotics
Gruppo di ricerca
Research group
Giuseppina Gini
Michele Folgheraiter
Marcello Mulas
Umberto Scarfogliero
Anno di avvio attività
Beginning of activity
2001
Cooperazioni nazionali e internazionali
National and international collaboration
Department of Computer Science, University of
Oregon, USA
University of North Carolina, USA
Sito web
Website
http://www.elet.polimi.it/upload/gini/Humanoid.htm
Esoscheletro per la riabilitazione della mano
Exoscheleton for hand rehabilitation
Il lavoro sviluppato consiste in un sistema per
la riabilitazione motoria della mano. Il lavoro
ha riguardato lo studio teorico/progettuale, e il
successivo sviluppo, di un dispositivo (esoscheletro)
per la riabilitazione della mano.
Questi macchinari sono utilizzati prevalentemente
per facilitare il recupero funzionale dell’arto paretico
da parte di persone colpite da ictus. Lo studio è
stato motivato dal fatto che ad oggi non esistono
dispositivi automatici a basso costo, in grado di
The work developed a system for hand rehabilitation,
starting from theory and designing an exoscheleton.
The target of the system is to help patients to recover
the functions of the hand after an ictus.
A need was found in automating a recovering
therapy, since it can last for months and human
therapists can be partially substituted at least in
some routine work. No automatic and portable
devices are now on the market.
The present prototype has both the mechanical
84
effettuare questo tipo di terapia riabilitativa; di solito
la riabilitazione è affidata alle mani esperte di un
terapista al quale è richiesto un impegno giornaliero
di diverse ore per periodi che possono durare anche
alcuni mesi.
Allo stato attuale il prototipo è completo nella parte
meccanica e di controllo. Il controllo è basato su un
microcontrollore collegato ad attuatori e sensori,
come illustrato in Figura 1.
Il software gira su un PC su cui esiste un modello
virtuale animato della mano.
Questo ha lo scopo di fornire un feedback visivo
utile al paziente durante l’esecuzione della terapia
riabilitativa.
Rispetto ad altri dispositivi robotici applicati alla
riabilitazione, l’esoscheletro sviluppato permette di
effettuare esercizi di flessione ed estensione delle dita
in una modalità del tutto naturale per il paziente.
Sono previste due tipologie di funzionamento: una
automatica dove il terapista, attraverso un’interfaccia
computerizzata, può settare alcuni parametri della
terapia, come per esempio la velocità di flessione ed
estensione, e una semi-automatica dove è il paziente,
attraverso una parziale contrazione dei muscoli
flessori della mano, a far iniziare il movimento.
In quest’ultima modalità è necessaria una particolare
elaborazione dei segnali mioelettrici provenienti dai
muscoli del paziente, atta a rilevare l’intenzione di
voler muovere l’arto.
In Figura 2 vediamo un paziente che compie esercizi
con il sistema.
Sviluppi futuri prevedono l’integrazione,
all’interno dell’attuale architettura, del sistema di
acquisizione, amplificazione, ed elaborazione dei
segnali mioelettrici. Stiamo inoltre implementando
moduli software in grado di calibrare la terapia
di riabilitazione sulla base delle capacità motorie
residue del paziente.
Il lavoro di tesi di laurea di Marcello Mulas su questo
tema ha ricevuto il premio “Marco Somalvico”.
Riferimento:
Marcello Mulas, M. Folgheraiter, Giuseppina
Gini, “An EMG-controlled Exoskeleton for Hand
Rehabilitation”, Proc. International Conference
ICORR 2005, June, Chicago, USA.
1.
Architettura
System architecture
and the control parts. The controller is based on a
microcontroller connected to actuators and sensors,
as illustrated in Figure 1. The software runs on a PC,
using a graphical interface which shows a virtual
animated model of the hand. In this way the patient
has a visual feedback of what is happening during
the rehabilitation.
Differently from other robots applied to the
rehabilitation, our exoscheleton applied to the
patient gives him a way to execute flexion and
extension of the fingers in a natural way.
Two ways of using it have been devised: the therapist
can set the parameters for automatic execution
(for instance velocity of closure) or the patient can
start the movement and the system can help him in
completing the movement.
In this second case it was necessary to acquire the
myo-electric signals obtained from the patient itself
to activate the exoscheleton. In Figure 2 a patient
using the system is shown.
In the future the team will work to better integrate
in the controller architecture a portable system
to acquire, amplify and analyze the myo-electric
85
2.
Paziente che usa il sistema
A patient exercising with the
system
Elaborazione di modelli biomimetici per lo
sviluppo di protesi
Nello sviluppo delle nuove protesi si sta lavorando
sull’ipotesi di usare approcci di robotica per
aumentare il numero dei gradi di libertà e facilitarne
il controllo mediante metodi della robotica
autonoma. In particolare in questo ambito va
citato il lavoro compiuto sulla mano e il braccio e
sul sistema neurale di controllo. I prototipi sono
stati sviluppati presso il laboratorio AIRlab, e sono
illustrati nelle Figure 3 e 4.
Riferimenti:
M. Folgheraiter, G. Gini, “MaximumOne: an
anthropomorphic arm with bio-inspired control
system”, in Biomimetic Neural Learning for intelligent
robots, S. Wernter, G. Palm, M. Elshaw (Eds), LNAI
3575, Springer, Berlin Heidelberg, 2005, pag 281
– 298.
M. Folgheraiter, G. Gini, M. Perkowski, M. Pivtoraiko,
“Blackfingers: a sophisticated hand prosthesis”,
Proc ICORR 2003, International Conference on
86
3.
La mano blackfingers
The Blackfingers hand
signals. Team is also developing the needed software
modules to automatically adapt the therapy to the
motion capabilities of the patient.
The Master thesis of Marcello Mulas on this subject
has obtained the “Marco Somalvico” prize.
Reference:
Marcello Mulas, M. Folgheraiter, Giuseppina Gini, “An
EMG-controlled Exoskeleton for Hand Rehabilitation”,
Proc. International Conference ICORR 2005, June,
Chicago, USA.
Biomimetic models to develop advanced
prosthesis
In the area of developing new prosthesis the work is on
the idea of using robotic approaches to obtain more
degrees of freedom and to individuate good control
strategies to facilitate the control from the user.
In this area may mention here the work going on about
a humanoid hand, a humanoid arm, and their neural
controllers. The prototypes are available in our AIRLab
laboratory and are illustrated in Figures 3 and 4.
References:
M. Folgheraiter, G. Gini, “MaximumOne: an
4.
Il braccio MaximumOne
The robotic arm MaximumOne
5.
Guanto haptic
The haptic glove
rehabilitation robotics, Korea, Aprile 23-25 2003.
Infine è affrontato il tema della programmazione della
mano umanoide mediante analisi e generalizzazione
di dati di posizione e forza esercitata da un utente che
indossa un guanto (Figura 5).
anthropomorphic arm with bio-inspired control
system”, in Biomimetic Neural Learning for intelligent
robots, S. Wernter, G. Palm, M. Elshaw (Eds), LNAI
3575, Springer, Berlin Heidelberg, 2005, pag 281 – 298.
M. Folgheraiter, G. Gini, M. Perkowski, M. Pivtoraiko,
“Blackfingers: a sophisticated hand prosthesis”,
Proc ICORR 2003, International Conference on
rehabilitation robotics, Korea, Aprile 23-25 2003.
Riferimento:
M. Folgheraiter, I. Baragiola, G. Gini, “Teaching
grasping to a humanoid hand as a generalization of
human grasping data”, in: Knowledge Exploration in
Life Science Informatics (KELSI), Lecture notes in AI,
Springer Verlag, Novembre 2004. Pag 139-150.
Finally the team worked on the problem of
providing programming approaches for a humanoid
hand. To this end a method to analyze position and
force data obtained from a human in teaching the
grasping of objects was developed. Data are obtained
from a sensorised glove (illustrated in Figure 5) and
analyzed to generalize the position of the fingers and
the force to exert.
Reference:
M. Folgheraiter, I. Baragiola, G. Gini, “Teaching
grasping to a humanoid hand as a generalization of
human grasping data”, in: Knowledge Exploration in
Life Science Informatics (KELSI), Lecture notes in AI,
Springer Verlag, Novembre 2004. Pag 139-150.
87
Sviluppo di competenze specialistiche
per la ricerca e per la pratica
manageriale in ambito medicotecnologico
HINT@LECCO - Health Innovation Network
Technology @ Lecco
Development of managerial knowhow and good practices in medical and
technological field
HINT@LECCO - Health Innovation Network
Dipartimento di Ingegneria Gestionale
Gruppo di ricerca
Cristina Masella
Research group
Alberto Portioli
Anno di avvio attività
Beginning of activity
Emanuele Lettieri
Cristina De Capitani
Nadia Piraino
2004
Cooperazioni nazionali
National collaboration
Technology @ Lecco
IRCCS “E. Medea”, Associazione La Nostra Famiglia
Bosisio Parini (LC)
Ospedale Valduce, Fondazione di “Villa Beretta”,
Costamasnaga (LC)
In ambito di ricerca e innovazione per la Medicina
Riabilitativa, rivestono una grande importanza
e un rilevante interesse sociale e scientifico le
disabilità gravi da patologie del sistema nervoso
centrale congenite e acquisite. Queste ultime sono
la più frequente causa di disabilità cronica grave.
L’incidenza di eventi vascolari, traumatici, infettivi,
degenerativi, le cause genetiche, l’aumentata
sopravvivenza rendono ragione del costante
progressivo aumento della popolazione di persone
in età infantile ed adulta con tali problematiche,
In the area of Rehabilitation research the severe
impairment, both congenital and after-acquired,
coming from central nervous system is a relevant
research area because it has social, clinical and
managerial implications. The incidence of vascular,
traumatic, infective and degenerative events and the
increase of the survival justify the positive trend of the
number of people with disability in all age groups. In
Italy the estimation of disabled people is more than
250.000 units, with a growth of about 50.000 units
for year (+20%). If we consider also the caregivers,
88
stimabili in oltre 250.000 in Italia con un incremento
di circa 50.000 unità per anno (+20%). Se alle
persone direttamente colpite da tali eventi si
sommano le persone che offrono assistenza per
compensare le difficoltà di gestione delle elementari
attività di vita quotidiana e di partecipazione sociale,
il nucleo sociale si allarga a non meno di 1.000.000
di persone già attualmente coinvolte.
Tale numero va incrementandosi sistematicamente,
senza soluzione di continuità ed esponenzialmente
negli anni. La gravità, la cronicità delle menomazioni
e della riduzione di capacità e perfomances dei
pazienti sono caratteristicamente complesse nella
loro estrinsecazione clinica, associandosi variamente
fattori metabolici, morfostrutturali, motori,
cognitivi, psicologici e sociali.
La complessità comporta un modello di gestione
multi-disciplinare del processo di diagnosi e cura del
paziente a cui consegue una presa in carico adeguata
per ogni singolo individuo, che tenga conto non
soltanto della sua funzionalità e disabilità, ma anche
di tutti gli aspetti contestuali. Ciò porta alla necessità
di coinvolgere in modo continuativo un numero
significativo di enti e competenze differenti in un
network terapeutico e riabilitativo articolato, ma al
contempo ben integrato. Ricade in questo ambito lo
studio di nuovi modelli manageriali che rispondano
a questa crescente complessità e interdiscipinarità
che caratterizzano il mondo della disabilità.
the number increases to about 1.000.000 people
already involved in the system. This number rises
systematically and exponentially during the years.
The severity of impairment and the reduction of
patient’s capacity and performance are very complex
characteristics both in clinical and social terms.
A person’s functioning and disability is conceived
as a dynamic interaction between health conditions
(diseases, disorders, injuries, traumas, etc.) and
contextual factors, which include both personal and
environmental factors. As a consequence, a relevant
number of entities and different know-how are
involved continuously in a complex, but at the same
time well-integrated, rehabilitative network.
In this context it is necessary to provide well
organized, coordinated, multidisciplinary
rehabilitation services, resulting from a new
managerial approach that involves different
organizational contexts, different goals and complex
structures.
Objectives and research approach
The aim of the study is to develop managerial knowhow and best practices to improve the quality and
the effectiveness in the provision of rehabilitation
services, by means of an integrated process
management and development of monitoring and
assessment tools. The study was conducted in the
Functional Rehabilitation Unit of the “E. Medea”
Rehabilitation Institute (LC).
Obiettivi e metodologia di ricerca
The research focuses on clinical paths for children
Con la ricerca sullo sviluppo di competenze
with spasticity condition, in order to:
1.measure the performance of integrated clinical
manageriali e best practices, ci si propone di
migliorare la qualità del servizio attraverso una
path (in terms of costs, time and quality);
2.evaluate the clinical outcome;
gestione integrata dei processi di erogazione e lo
sviluppo di strumenti di valutazione e monitoraggio. 3.analyse the critical aspects of the integrated
Un centro di studio e applicazione sperimentale è
clinical path.
stato trovato, all’interno dell’Istituto “E. Medea” di
The research is a prospective observational study and
Bosisio Parini (LC).
the clinical path is the unit of analyses. In order to
In particolare, lo studio si concentra sulla diagnosi e achieve the three objectives above, the following subla riabilitazione funzionale di pazienti affetti da grave objectives are identified:
1.mapping process (clinical path);
disabilità da spasticità, al fine di:
2.cost analysis;
1.valutare le performances del percorso intergrato
3.performance measurement;
(in termini di costi, tempi e qualità);
4.analysis of the clinical outcomes;
2.valutare l’output da un punto di vista clinico;
5.customer satisfaction;
3.analizzare le criticità del percorso clinico
6.benchmarking.
attraverso studi di caso.
89
Si tratta, quindi, di uno studio osservazionale che ha
come unità di analisi il percorso del paziente e che si
concentra su sei obiettivi:
1.la mappatura dei processi;
2.l’analisi dei costi;
3.l’analisi delle performance di processo;
4.l’analisi dell’outcome clinico;
5.l’analisi della qualità percepita (customer
satisfaction);
6.l’analisi di benchmarking, per l’individuazione di
nuove pratiche di gestione del percorso integrato.
1.Mappatura dei processi
La mappatura rappresenta una fase preliminare,
propedeutica al raggiungimento degli obiettivi dello
studio, e si basa sull’evidenza manageriale emersa
negli ultimi tempi, della necessità di analizzare le
organizzazioni dal punto di vista dei processi anziché
dal punto di vista funzionale e dipartimentale.
Infatti i processi sono ciò che fornisce valore al
cliente. In questo studio il processo di riferimento
è l’intero percorso del paziente all’interno della
struttura, dalla fase di richiesta di trattamento fino
all’ultimo ricovero previsto dal protocollo clinico.
Per lo svolgimento di tale attività si è fatto ricorso
all’Unified Modelling Language (UML), ovvero un
linguaggio di modellazione visuale per descrivere,
specificare e documentare i processi analizzati.
2.Analisi dei costi
Per i costi del percorso è stato usato un approccio
Activity Based. L’Activity Based Costing (ABC)
è un modello innovativo di valutazione dei costi
che ha assunto negli ultimi anni sempre maggiore
rilievo, vista l’incapacità dei tradizionali sistemi di
rilevazione di tenere sotto controllo la crescente
mole di costi indiretti.
La sua innovazione è da ricondurre anche
all’approccio volto non più alla sola quantificazione
dei costi, ma anche alla loro gestione. L’ABC
rientra, infatti, tra le tecniche di cost management,
intendendo con questo un’area di studio nella quale
la misurazione del costo diventa strumento per la
gestione delle risorse finalizzata alla valutazione
strategica delle alternative.
Mediante l’utilizzo dell’ABC è stato, quindi,
possibile conoscere l’effettivo impiego di risorse da
90
1.
Network dell’Istituto “Villa
Beretta”
Network of “Villa Beretta”
Institute
1.Mapping process
The mapping process is a preliminary phase in
order to achieve the other objectives of the study.
This process underpins the managerial evidence
of the need to analyse the organizations from an
operational rather than functional point of view.
In fact, processes provide value to the client. In this
study the reference process is the whole clinical path
for children presenting a functional diagnosis of
spasticity.
To model and design the clinical path we used the
Unified Modeling Language™ (UML), that provides
a useful language to model application structure,
behaviour, and architecture, but also the business
process and data structure.
2.Cost analysis
In order to conduct a cost analysis, the costs
associated with activities included in the clinical
path were identified, applying an Activity Based
approach. Activity Based Costing (ABC) is an
alterative to the traditional way of accounting. ABC
allows an organization to determine the actual
parte di ciascuna attività in cui è stato scomposto
il processo, evidenziando, quindi, il consumo delle
risorse da parte delle attività, consentendone la
razionalizzazione.
L’analisi rappresenta un importante strumento per le
politiche interne alla struttura riabilitativa, in quanto
consente di monitorare l’assorbimento dei costi delle
risorse impegnate nei trattamenti analizzati e, di
conseguenza, intraprendere azioni di ottimizzazione,
a vantaggio dell’efficienza nell’erogazione delle
prestazioni ai pazienti.
3.Analisi delle performance di processo
L’analisi delle performance di processo si è
basata principalmente sullo studio dei tempi che
caratterizzano il percorso del paziente all’interno
dell’Unità di Riabilitazione Funzionale. Insieme al
risultato clinico, il tempo di percorso del paziente
rappresenta l’elemento fondamentale di prestazione
dal punto di vista del paziente stesso.
Lo scopo dell’analisi è, quindi, quello di monitorare
la durata delle attività e i tempi dei processi per ogni
paziente del campione, rilevare eventuali anomalie e
introdurre azioni migliorative.
La ricerca si svolge in tre step:
- performance measurement, ovvero identificazione
del set di indicatori (tempi che caratterizzano il
percorso del paziente) per l’analisi della performance
e il rilevamento dei dati;
- performance reporting, ovvero la produzione dei
documenti che riportano l’analisi dei risultati e la
diffusione degli stessi tra gli operatori;
- performance management, ovvero
l’implementazione di nuove logiche gestionali per il
miglioramento dei processi critici.
4.Analisi dell’outcome clinico
L’analisi delle performance cliniche si riferisce alla
rilevazione dei dati relativi alle condizioni cliniche
del paziente prima e dopo il trattamento.
Anche in questo caso l’analisi è svolta in tre step:
- performance measurement, ovvero identificazione
del set di indicatori (scale funzionali) per la
rilevazione delle condizioni di salute del paziente
e del livello di autonomia prima e dopo la
somministrazione dei trattamenti;
- performance reporting,ovvero la diffusione dei
2.
Intervento di rizotomia selettiva
posteriore (schema)
Selective posterior rhisotomy
cost associated with each product and service
produced by the organization without regard to the
organizational structure. Opposite to the traditional
costing method, ABC has the feature to keep under
the indirect costs. The innovation of the ABC is its
approach not only to quantify but also to manage
the costs. As a result, the ABC belongs to the cost
management techniques, and it can support the
managers in the decision-making process.
This approach has represented a useful contribution
to evaluate the phases of the clinical path that absorb
more costs: it is an important tool for the change
management agenda, optimizing the financial
resource and improving the effectiveness in the
services supply.
3.Performance measurement
The analysis of process performance is mainly
based on the study of the times that characterize the
clinical path in the Functional Rehabilitation Unit.
The length of the clinical path, in fact, together with
the clinical outcomes, represents the fundamental
aspect from the patient’s point of view.
91
risultati dell’analisi tra gli specialisti e i responsabili
del paziente;
- performance management, ovvero la
sperimentazione, sulla base dei risultati ottenuti,
di nuovi protocolli clinici per il miglioramento
dell’outcome.
5.L’analisi della qualità percepita (customer
satisfaction)
Il punto critico principale è qui la identificazione
del cliente (customer). Nella situazione di queste
disabilità, infatti, insieme al paziente sono
fortemente e continuativamente coinvolti una serie
di soggetti, e in particolare i famigliari. Si è quindi
deciso di adottare un’ottica di “cliente” più ampia,
che si estende alla famiglia. Sulla base di ciò si sono
ricercati modelli esistenti e si è identificato come più
promettente quello del Family-Centered Care. La
Family Centered Care è una filosofia sviluppata in
Canada che si fonda sui seguenti principi generali:
- i genitori sono risorse fondamentali nella vita del
bambino;
- il processo riabilitativo deve essere basato sulla
cooperazione tra famiglia e professionisti;
- i professionisti devono avere un ruolo di sostegno
dei familiari.
L’ottica con cui è stato realizzato il questionario per
la rilevazione dei dati è quella di fornire elementi di
analisi strettamente legati al reparto di Riabilitazione
Funzionale, così da permettere il miglioramento dei
rapporti non solo con i pazienti ma anche con le
loro famiglie e garantire una risposta il più possibile
vicina agli effettivi bisogni dei pazienti.
6.Analisi di benchmarking, per l’individuazione di
nuove pratiche di gestione del percorso integrato.
L’analisi è stata finalizzata all’indagine e alla
comparazione delle differenti scelte strategiche
adottate da diversi istituti di cura per il superamento
di alcuni problemi di tipo organizzativo-gestionale.
In particolare, l’indagine ha interessato i seguenti
fattori critici di successo (in termini di riduzione dei
costi e miglioramento delle prestazioni):
- la gestione del personale;
- la gestione dei pazienti;
- la gestione dei rapporti con soggetti esterni.
Trattandosi di un’analisi comparata di prestazioni
92
The aims of the study are (1) to monitor the
activities’ duration and the processes’ time for
each patient, (2) to detect the bottle necks, (3) to
introduce improving actions.
The research is carried out in the followings steps:
1.performance measurement, identifying a set of
indicators to analyse the performance and collecting
the dataset;
2.performance reporting, producing a document
with the data analysis and allowing the
dissemination of information;
3.performance management, implementing new
managerial tools to improve the critical process.
4.Analysis of the clinical outcomes
The analysis of clinical outcomes refers to the
analysis of dataset related to the patient condition
pre and post treatments. The analysis is carried out
in the following steps:
1.performance measurement, identifying a set of
clinical indicators (functional scale) to measure the
patient health condition pre and post treatments;
2.performance reporting, producing a document
with the data analysis and allowing the
dissemination of information among the physicians
and specialists;
3.performance management, implementing, on the
basis of the results, new clinical protocols to improve
the clinical outcomes.
5.Customer satisfaction
In order to conduct the customer satisfaction, in
the rehabilitation field, the main critical point is
the identification of the customer. In this sector, in
fact, a multitude of caregivers involved, in particular
the family, play an important role for the patients’
assistance. In this study, the concept of “customer”
was enlarged, to include both the patient and their
family. Therefore existing models were studied and
the Family Centered Care was chosen as the most
interesting, innovative and appropriate to the sample
(children with spasticity condition). The Family
Centered Care is a philosophy developed in Canada
that focuses on the followings principles:
- the family is a fundamental resource in the
children’s life,
- the rehabilitation services are provided thanks to
non finanziarie tra diversi istituti, è stata scelta la
tecnica del benchmarking.
Tale studio porta all’individuazione di buone
pratiche, soprattutto in relazione agli aspetti di
integrazione dei processi e gestione delle risorse, e
rappresenta un utile strumento per l’identificazione
di nuovi elementi a miglioramento dell’erogazione
dei servizi ai pazienti.
the co-operation between family and physicians,
- the physicians have to support the family.
The questionnaire on customer satisfaction was
developed in order to point out the aspects closely
related to the Functional Rehabilitation Unit, so to
improve the relationship between the “rehabilitation
ward” and the patient and their family and in
meeting patients’ needs.
6.Benchmarking.
The aim of the benchmarking is the investigation
and the comparison of different strategic choices
(in organizational and managerial terms) among
different Rehabilitation Centres. In particular, the
analysis focuses on the following critical factors
(in terms of cost reduction and performance
improvement):
- human resource management,
- patient management,
- outsourcing.
In this way, the study allows us to identify the
good practices, related to process integration and
resources management, and to improve the services
supply.
93
Ottimizzazione di dispositivi per
emodialisi, filtri e scambiatori per il
sangue con tecniche ingegneristiche
avanzate
Optimization of hemodialysis devices,
hemofilters and blood exchangers with
advanced engineering techniques
Dipartimento di Bioingegneria
Gruppo di ricerca
Research group
Gianfranco Beniamino Fiore
Alberto Redaelli
Monica Soncini
Simone Vesentini
Marco Rasponi
Anno di avvio attività
Beginning of activity
2003
Cooperazioni nazionali e internazionali
National and international collaboration
Ospedale S. Bortolo, Vicenza
Estor SpA, Milano
SisTer-Fresenius Medical Care, Palazzo Pignano (CR)
Bioengineering Laboratories, Cantù (CO)
Carnegie Mellon, Pittsburgh, PA, USA
Massachussets Institute of Technology, Boston, USA
Toray Medical Co., Tokyo, Giappone
L’utilizzo in clinica di dispositivi per il trattamento del
sangue è associato a patologie altamente invalidanti.
Un esempio emblematico nell’ambito delle malattie
croniche è costituito dall’insufficienza renale grave,
che nella gran parte dei pazienti impone di ricorrere
all’emodialisi, un trattamento che prevede la
purificazione trisettimanale del sangue del paziente
mediante macchine extracorporee.
Il paziente dializzato è un soggetto affetto da disabilità
socio-psicologica oltre che fisica, che affida la propria
sopravvivenza e il proprio benessere all’efficienza di
94
The clinical use of devices for blood treatment is
associated to greatly disabling illnesses. A typical
example in the field of chronic diseases is severe
renal insufficiency, which, in most patients, implies
to resort to hemodialysis, a treatment requiring the
patient’s blood purification for three times a week via
extracorporeal devices. A dialysis patient is a sociopsychologically, besides physically, disabled person,
whose survival and welfare rely upon machinery
efficiency. On the other hand, acute pathologies
exist whose solution relies on extracorporeal blood
una macchina. Esistono d’altro canto patologie acute
la cui risoluzione è affidata al buon funzionamento
di un trattamento di purificazione del sangue, quale
lo shock settico grave, trattato mediante dispositivi
di rimozione delle endotossine. Si comprende
come l’evoluzione di tecnologie che consentano di
ottimizzare l’efficacia di questi trattamenti sia un
punto cruciale nel processo di miglioramento delle
condizioni cliniche, psicologiche e sociali dei pazienti
e di incremento dell’efficienza del sistema ospedaliero.
Presso il Dipartimento di Bioingegneria del
Politecnico di Milano, il gruppo di ricercatori che
svolge attività di ricerca in questo settore studia
l’ottimizzazione dei dispositivi applicando metodi
ingegneristicamente evoluti e d’avanguardia.
L’approccio è basato sull’integrazione di metodologie
complementari che spaziano dalla modellazione
computazionale a diverse scale (da quella
macroscopica a quella molecolare) fino alle attività
sperimentali in laboratorio. Pur trattandosi di ricerche
per certi versi di frontiera, esse sono svolte con
un’attenzione particolare per le ricadute tecnologiche
immediate o a breve termine, come testimonia
l’interesse suscitato in partner aziendali nazionali e
internazionali del settore, che con il loro supporto
hanno costituito la principale fonte di finanziamento
economico.
Nel settore dei dispositivi per emodialisi, l’attività di
ricerca è stata focalizzata sullo sviluppo di un software
applicativo, dotato di interfaccia grafica in quanto
destinato all’utilizzo in clinica da parte del personale
ospedaliero, per la quantificazione e l’ottimizzazione
dell’effetto di filtrazione interna negli emodializzatori.
Si tratta di un fenomeno che consente di produrre
benefici per i pazienti dializzati, incrementando
l’efficienza di rimozione dal sangue dei soluti di
medio peso molecolare. Sull’argomento è in atto una
collaborazione con il reparto di Nefrologia e Dialisi
dell’Ospedale S. Bortolo di Vicenza; le attività si sono
svolte col supporto finanziario di due aziende del
settore. La Figura 1 rappresenta l’interfaccia grafica
con cui l’utilizzatore medico interagisce. L’utilizzo di
questo strumento di simulazione, che è ad oggi già in
uso presso alcune unità di nefrologia e dialisi italiane,
consente inoltre di indirizzare il clinico verso la scelta
del trattamento più opportuno per ciascun paziente,
individuando quali casi necessitano di trattamenti
treatment, such as severe septic shock, which may
be treated with extracorporeal blood purification. It
is clear that the evolution of technologies allowing
to optimize the efficiency of such extracorporeal
treatments is a crucial point in the improvement of
clinical, physiological and social conditions of patients
and efficiency enhancement of the hospital system.
At the Department of Bioengineering of the
Politecnico di Milano, a group of researchers working
in this field is studying the optimization of devices
by exploiting advanced engineering tools. Their
approach is based on integrating complementary
methods, ranging from computational modeling at
different scales (from the macro to the molecular
level) to experimental laboratory work. Even if these
are somewhat pioneering researches, there is a special
attention towards their immediate or short-term
technological rebounds, as it is witnessed by the
interest aroused among national and international
companies, which have up to now represented the
main source of financial funding.
In the field of devices for hemodialysis, research
activities have focused onto the development of a
software package, equipped with a graphical interface
destined for the clinical user, aimed at quantifying
and optimizing the internal filtration effect in
hemodialyzers. This mechanism may produce benefits
for dialysis patients, increasing the removal of middlemolecular-weight solutes from blood. On this subject,
a collaboration is running with the Nephrology and
Dialysis Unit of the St. Bortolo Hospital in Vicenza
(Italy); the activities have been financially supported
by two companies working in the field. Figure 1
depicts the graphical interface that the medical user
interacts with. Such a simulation tool, that is now
used in a number of National nephrology and dialysis
units, also allows the clinitian to be addressed towards
choosing the most proper treatment for each patient,
by selecting which cases require complex and costly
treatments (such as hemodiafiltration) or which ones
may be carried out efficiently by a standard high-flux
dialysis.
In the field of devices for acute treatments, the use of
extracorporeal blood purification for the treatment of
sepsis has been focused. It is an emerging technology,
with demonstrated clinical benefits, whose rationale
is centered on the removal of endotoxins from blood
95
1.
Interfaccia grafica del software
di simulazione della filtrazione
interna in emodializzatori
Graphical user interface of the
internal filtration simulation
software
2.A
Modello molecolare
dell’interazione fra l’antibiotico
Polimixina-B ed una particella di
endotossina
Molecular model of the
interaction of Polymyxin-B
antibiotic with an endotoxin
particle
complessi e costosi (quali l’emodiafiltrazione) e quali
possono essere eseguiti efficacemente mediante una
dialisi standard ad alto flusso.
Nel settore dei dispositivi per trattamenti acuti, si è
focalizzata l’attenzione sull’utilizzo della purificazione
extracorporea del sangue per il trattamento della
sepsi. Si tratta di una tecnologia emergente che
ha dimostrato di produrre benefici clinici, il cui
principio è basato sulla rimozione delle endotossine
dal sangue con una cartuccia adsorbente che contiene
l’antibiotico Polimixina-B legata covalentemente
a una fibra. In questo contesto, ci si è posti
l’obbiettivo di indagare per mezzo di strumenti
numerici i meccanismi di rimozione extracorporea
delle endotossine. Si sono integrate competenze
interdisciplinari per sviluppare un approccio multiscala che spaziasse dalla scala nanometrica, alla quale
avvengono le interazioni molecolari, fino alla scala
macroscopica. La descrizione ottenuta chiarisce sia
i meccanismi coinvolti a ciascuna scala, sia le mutue
interazioni tra i fenomeni che avvengono a differenti
scale. Le Figure 2.A e 2.B mostrano rispettivamente
un passo della simulazione alla nanoscala e un
with a sorption device containing fiber-grafted
Polymyxin-B antibiotic. We tackled the job of
investigating through numerical tools the mechanisms
of extracorporeal endotoxin removal. Integrated
knowledge and competencies were applied to a multiscale modeling approach ranging from the nanoscale,
where the molecular interactions take place, to the
macroscale. The overall picture displays both the
physics involved at each scale level and the mutual
interactions of phenomena taking place at different
levels. Figures 2.A and 2.B respectively depict a stage
of the nanoscale model and a fluid-dynamic result
from the mesoscale analysis.
An additional project is geared towards the
development of a microfluidic module that will
function as a micro-artificial lung. The project is held
in collaboration with the Massachussets Institute
of Technology where scientists are proposing to use
microfluidics. Using microchannels molded from
patterned silicon wafers, capillary-like networks can
be designed with highly defined dimensions and
specified geometries. Through a novel photolytic
process, oxygen will be formed directly from the
96
2.B
Modello della fluidodinamica
attraverso un modulo di fibre
intessute: sforzi tangenziali in
parete
Mesoscale model of the fluiddynamic environment through
a knitted fiber pattern: wall
shear stress map
risultato fluidodinamico ottenuto nell’analisi
alla mesoscala. Un ulteriore progetto è orientato
allo sviluppo di un modulo microfluidico con la
funzione di un micro-polmone artificiale. Il progetto
è condotto in collaborazione con il Massachussets
Institute of Technology, presso il quale i ricercatori
propongono l’uso di sistemi microfluidici. Usando
microcanali ricavati a partire da matrici in silicone,
si possono progettare reti capillari con dimensioni
altamente controllate e geometrie predefinite.
Attraverso un innovativo processo fotolitico,
l’ossigeno viene ottenuto direttamente dal contenuto
acquoso del plasma sanguigno. Facendo uso delle
tecniche di fluidodinamica computazionale, è stato
sviluppato un modello per simulare il moto attraverso
canali di differenti geometrie. I dati relativi al processo
fotolitico e le limitazioni allo sforzo tangenziale cui
vengono sottoposti i globuli rossi del sangue sono
introdotti nel modello. I risultati delle simulazioni
(Figura 3) permettono di determinare i vincoli
meccanici e geometrici ottimali, che definiranno i
criteri di scalatura per il futuro ottenimento di un
dispositivo per la respirazione artificiale.
3.
Simulazioni in un sistema
microfluidico: mappe di
pressione parziale di ossigeno
Simulations inside a
microfluidic bed: oxygen
tension maps
water content of the blood. Using computational fluid
dynamic techniques, a model has been developed to
simulate the flow across surfaces of varying geometry.
Information regarding the photolytic process and the
shear limitations of red blood cells are incorporated in
the model. The results of simulations (Figure 3) allow
to determine the optimum geometric and mechanical
constraints, which will define the future scale-up
criterion for artificial respiration devices.
Figura 2.A: Vesentini S., Soncini M., Zaupa A., Silvestri V.,
Fiore G.B., Redaelli A., Multi-scale analysis of the Toraymyxin
adsorption cartridge. Part I: molecular interaction of
polymyxin B with endotoxins. Int J Artif Organs, Wichtig,
Milano 2006, 29 (2): 239-250.
Figura 2.B: Fiore G.B., Soncini M., Vesentini S., Penati A.,
Visconti G., Redaelli A., Multi-scale analysis of the Toraymyxin
adsorption cartridge. Part II: Computational fluid-dynamic
study. Int J Artif Organs, Wichting, Milano 2006, 29 (2): 251260.
97
Progettazione, sintesi, sviluppo e
realizzazione di supporti per la cura ed
il riparo di tessuti danneggiati mediante
un approccio di Ingegneria dei Tessuti
Dipartimento di Bioingegneria
Gruppo di ricerca
Research group
Design, synthesis, development and
fabrication of scaffolds for treatment
and repair of damaged tissues by Tissue
Engineering approach
Maria Cristina Tanzi
Alberto Redaelli
Sara Mantero
Gianfranco Beniamino Fiore
Silvia Farè
Paola Petrini
Sabrina Bozzini
Lorenza Draghi
Monica Soncini
Simone Vesentini
Stefania Riboldi
Dipartimento di Chimica, Materiali e Ingegneria
Chimica “Giulio Natta”
Monica Moscatelli
Anno di avvio attività
Beginning of activity
1997
Cooperazioni nazionali e internazionali
National and international collaboration
Dipartimento di Biochimica, Università degli Studi
di Pavia
Dipartimento di Chimica,Università degli Studi di
Bologna
Dipartimento di Fisiopatologia Clinica, Università
degli Studi di Firenze
Istituti Ortopedici Rizzoli, Bologna
Laboratorio di Ingegneria Biomedica, Istituto
Superiore di Sanità, Roma
Laboratorio di Riconoscimento Molecolare, CNR
Milano
Unità Cardiochirurgica Ospedale Luigi Sacco,
Milano
98
Laboratorio di Biologia e Genetica del Dipartimento
di Scienze Precliniche Polo Vitalba, Milano
Unità Cardiochirurgica IRCCS Fondazione
Monzino, Università degli Studi di Milano
Unità Cardiochirurgica e Divisione di Chirurgia
Vascolare IRCCS Ospedale San Raffaele, Milano
Unità di Nefrologia e Dialisi, Ospedale San Bortolo,
Vicenza
Università di Catania
Università di Pisa
Politecnico di Torino
Università di Firenze
Università di Bologna
Tecres s.p.a., Verona
Eurocoating, Pergine (TN)
Plan1Health s.r.l., Amaro (UD)
Samo, Bologna
GiMac, Castronno (VA)
Divisione di Cardiochirurgia Ospedali Riuniti di
Bergamo
Facoltà di Veterinaria, Università degli Studi di
Milano
Istituto di Ricerca per le Cellule Staminali (SCRI),
IRCCS Ospedale S. Raffaele, Milano
Istituto di Ricerche Farmacologiche Mario Negri di
Bergamo
Department of Materials Engineering, Université
Laval, Québec, Canada
École Polytechnique de Montréal, Canada
Laboratory for Surface Science and Technology,
ETH, Zurich, Svizzera
University of Pittsburgh, Pittsburgh, PA, USA
Carnegie Mellon, Pittsburgh, PA, USA
Polymer Technology Group, Berkeley, California,
USA
Max-Planck Institute of Colloids and Interfaces,
Potsdam, Germania
BASF Aktiengesellschaft, Ludwigshafen, Germania
European Molecular Biology Laboratory, Heidelberg,
Germania
Institut für Molekulare Biotechnologie, Jena,
Germania
GKSS Forschungszentrum Geesthacht GmbH
Geesthacht, Germania
Accelrys Ltd Cambridge, UK
MatSim GmbH Zurich, Svizzera
University of Edinburgh, UK
Hatsopoulos Microfluids Laboratory, Massachusset
Institute of Technology, Boston, USA
Sito web
Website
http://www.biomatlab.ithttp://www.biomed.polimi.
it/clab
http://www.biomed.polimi.it/cmb
99
1.
Strutture porose (scaffold) per la
rigenerazione del tessuto osseo
Porous structures (scaffolds)
for bone regeneration
L’attività di ricerca è volta alla progettazione,
sintesi, sviluppo e caratterizzazione di supporti per
la cura e il riparo di tessuti danneggiati mediante
un approccio di ingegneria dei tessuti. In questo
senso è necessario anche lo sviluppo di tecnologie
multiscala e multifisica finalizzate alla rigenerazione
dei tessuti e alle terapie cellulari per uso clinico e
farmacologico.
Gli enormi progressi ottenuti nell’ultimo decennio
nel campo dei biomateriali e della biologia cellulare
hanno consentito di passare dalla medicina
riparativa, che opera tramite la chirurgia riparativa/
sostitutiva e le terapie farmacologiche, alla medicina
rigenerativa e alle terapie cellulari.
L’ultimo decennio ha visto un’evoluzione radicale
di alcuni dei canoni su cui si fonda l’approccio
tradizionale della medicina al trattamento di
patologie fortemente invalidanti quali il diabete,
le malattie degenerative delle strutture articolari,
malattie cardiovascolari. Accanto alla medicina
riparativa, che opera mediante la chirurgia
riparativa/sostitutiva e le terapie farmacologiche,
si sono fatti strada nuovi criteri terapeutici
100
The research activity is aimed at the development,
synthesis and characterization of supports for
treatment and repair of damaged tissues by a
tissue engineering approach. With this respect, it
is also necessary the development of multi-scale
and multi-physics technologies aimed at tissue
regeneration and cell therapies for clinical and
pharmacological purposes.
The great progress achieved during the last decade
in the fields of biomaterials and cell biology has
concurred to move from reparative medicine
(reparative/substitutive surgery and pharmacological
therapies) to regenerative medicine and cell
therapies. In this context, the development of
synthetic materials overcame the concept of
biocompatibility because inert and is now oriented to
the development of carriers of cells and drugs, 3D
scaffolds, in vitro or in vivo regeneration of tissues
and organs and the preparation of biomimetic
materials and smart materials, i.e. sensitive to
physiological stimuli. These materials not only
can respond to physiological stimuli, but can be
also able to elicit favourable biological events after
basati sulla medicina rigenerativa e sulle terapie
cellulari. In questo contesto sono stati di primaria
importanza gli enormi progressi ottenuti nel
campo dei biomateriali e della biologia cellulare.
Lo sviluppo di materiali sintetici ha abbandonato
il concetto di biocompatibilità intesa come inerzia
ed è diretto verso la progettazione di sistemi di
trasporto (carrier) di cellule o di farmaci, di sistemi
di supporto (scaffold) per la rigenerazione in vitro
o in vivo di tessuti e organi e verso la realizzazione
di materiali biomimetici e di materiali “intelligenti”
sensibili a stimoli fisiologici (e quindi a interazione
programmata). Questi materiali non solo possono
rispondere a stimoli fisiologici, ma anche provocare
utili eventi biologici dopo l’impianto (o entrambe
le cose, in modo sinergico). Tra gli esempi troviamo
sistemi in grado di rispondere a variazioni di
pH, temperatura, concentrazioni enzimatiche o
anche sollecitazioni meccaniche e quindi capaci di
rilasciare in modo controllato sostanze bioattive
o di richiamare (recruiting) cellule specifiche
come le staminali mesenchimali e di indurne la
differenziazione.
Le attività di ricerca svolte si possono suddividere
in diversi campi quali quello relativo alle tecnologie
dei materiali, della progettazione di sistemi necessari
per la coltura di cellule sulle strutture di supporto, e
studi di fattibilità e progettazione mediante tecniche
computazionali.
Per quanto riguarda l’area inerente alle tecnologie
dei materiali, la ricerca è prevalentemente rivolta ai
seguenti campi:
- lo studio delle micro- e nano-architetture;
- lo sviluppo di materiali sintetici intelligenti
di nuova generazione (materiali a memoria di
forma, materiali attivabili con stimoli chimicofisici, materiali a rilascio controllato di farmaci e
biomolecole, materiali a degradazione modulata,
materiali a gradiente di funzionalità);
- la funzionalizzazione mediante sostanze bioattive
(nanocoatings, deposito di recettori cellulari).
I prodotti realizzati in quest’area di ricerca devono
essere analizzati per quanto riguarda le caratteristiche
chimico-fisiche, morfologiche e meccaniche
utilizzando tecniche di indagine mirate.
Relativamente alla progettazione di sistemi di coltura,
il gruppo di ricerca è coinvolto nello sviluppo di
implantation (or even both, in a synergic way).
Among different examples, there are systems able to
response to change in pH, temperature, enzymatic
concentration and also mechanical strain and
consequently able to release in a controlled manner
bioactive substances or to recruit specific cells, as
mesenchimal stem cells, inducing cell differentiation.
The research activities can be divided in different
fields, as material technologies, design and
development of systems for cell culture on
3D scaffolds, feasibility and project studies by
computational tools.
In the material technologies area, research activity is
mainly oriented to:
- the study of micro- and nano- architectures;
- the development of synthetic smart materials
(shape memory materials, materials activable by
chemico-physical stimuli, materials for controlled
drugs and biomolecules release, modularly
biodegradable materials, gradient functionality
materials);
- material functionalization by means of nanoactive
agents (e.g. nano-imprinting) capable to interact
with the tissue at different scales.
All the outcome from this research activities have to
be analyzed for their chemico-physical, morphological
and mechanical properties using appropriate
investigation techniques.
Regarding the development of cell culture systems,
the research group is involved in the design and
realization of bioreactors, i.e. perfusion systems and
systems for the application of mechanical, optical
and electrical stimula applied to the constructs
(scaffold and cells), by means of experimental and
computational (CAD, CFD, CSD, MD) techniques
and integration with sensors and control systems
(design of micro- and nano- sensors by using
nanotubes, nanoparticles, etc.). Moreover, it is
necessary the development of adequate cell culture
protocols to obtain constructs to be implanted in the
human body for the regeneration of damaged tissues.
In particular, the research activity is aimed at
the design and realization of bio-functionalized
and/or biomimetic surfaces able to interact with the
biological system at different scales (nano, micro,
and meso) by means of techniques such as nanoimprinting, chemico-physical surface modifications
101
2.
Carrier di cellule per la
rigenerazione di tessuto. Le
microcapsule vengono iniettate
nel sito di impianto (a) e le cellule
possono migrare all’esterno
della capsula in seguito alla
degradazione del materiale di cui
essa è costituita (b)
Cell carrier for tissue
regeneration. The
microcapsules are injected
in the implant site (a) and
cells can migrate outside the
microcapsule due to material
degradation (b)
sistemi di perfusione e di sollecitazione meccanica,
ottica, elettrica di costrutti (scaffold con cellule)
mediante tecniche sperimentali e computazionali
(CAD, CFD, CSD, MD) e integrazione con la
sensoristica e il controllo (progettazione di micro
e nano sensoristica specifica mediante nanotubi,
nanoparticelle ecc.). In particolare, l’attività di
ricerca è mirata alla progettazione e realizzazione di
superfici biofunzionali e/o biomimetiche in grado
di interagire con il sistema biologico a varie scale
(molecole, cellule, tessuto extracellulare) tramite
metodiche di tipo tecnologico (nanoimprinting)
o chimico-fisico (deposizione di monostrati
molecolari o funzionalizzazione organica),
modifiche topologiche, per ottimizzare le prestazioni
in vivo e guidare la crescita cellulare. Applicazioni in
fase di studio includono la produzione di linfociti
per soggetti immunodepressi, la realizzazione
di strutture muscolari contrattili da utilizzarsi
in presenza di patologie del sistema muscolare
scheletrico (come ad esempio la distrofia muscolare
di Duchenne) e di patch costituiti da miocardio
ingegnerizzato coltivato su substrati biodegradabili
102
(deposition of molecular monolayer or organic
functionalization), topographical modifications,
to optimize the in vivo performance and guide
cell proliferation and differentiation. Applications
currently under investigation include the production
of lymphocytes for immuno-depressed patients,
the realization of contractile muscle structures
for skeletal muscle system pathologies (as, for
example, the Duchenne dystrophy) and engineered
myocardium patches for the cardiac ischemia,
tissue engineering of adipose tissue for the breast
reconstruction, the realization of nerve guides for
regeneration in the peripheral system.
Besides the fabrication of scaffolds, research
activity is also aimed at performing feasibility and
development studies, using computational tools
(for example, molecular dynamics and microfluidynamics), of engineered systems for the
transport of molecules, both at nano-scale level, as
in the case of biological molecular motors (myosin,
tubulkin, kinesin), or systems based on diffusion
mechanisms (semi-permeable membranes and drug
delivery systems), and at micro-scale level, using
3.
Immagine di un bioreattore per
l’ingegnerizzazione del tessuto
muscolare scheletrico
Image of a bioreactor for
skeletal muscle engineering
4.
Immagine al SEM di uno scaffold
sul quale sono cresciute le
cellule muscolari scheletriche
SEM image of skeletal muscle
cells growing onto a scaffold
per la cura di ischemie cardiache, ingegnerizzazione
del tessuto adiposo per la ricostruzione del seno in
seguito a mastectomia, - realizzazione di guide per la
rigenerazione del sistema nervoso periferico.
Accanto alla realizzazione di costrutti, l’attività di
ricerca si rivolge anche a eseguire studi di fattibilità e
di progettazione mediante tecniche computazionali
(come ad esempio molecular dynamics e
microfluidodinamica) di sistemi ingegnerizzati per
il trasporto di molecole sia alla nanoscala, mediante
motori molecolari biologici (miosina, chinesina,
tubulina) e diffusione (membrane semipermeabili
e dispositivi a rilascio controllato di farmaco),
sia alla microscala, mediante fluidi vettore, per
analisi di laboratorio effettuate con lab-on-achip (elettroforesi e PCR). Inoltre, l’analisi delle
proprietà meccaniche di biomolecole caratteristiche
di tessuti naturali e l’analisi delle interfacce tra
queste biomolecole e i materiali protesici artificiali
opportunamente funzionalizzati sono indispensabili
per ottenere informazioni riguardanti le possibili
interazioni in vivo.
vector-fluids, for laboratory analysis performed
with lab-on-chip systems (electrophoresis and
PCR). Moreover, the analysis of the mechanical
properties of biomolecules of natural tissues and
the analysis of interfaces between the biomolecules
and the funzionalized artificial prosthetic material,
are essential to obtain information about the
possible interactions in vivo, when the scaffolds are
implanted in the body.
103
Progettazione e caratterizzazione
biomeccanica di materiali e dispositivi
biomedici
Dipartimento di Ingegneria Strutturale
Gruppo di ricerca
Research group
Design and biomechanical
characterisation of biomedical materials
and devices
Roberto Contro
Roberto Fumero
Riccardo Pietrabissa
Maria Laura Costantino
Gabriele Dubini
Francesco Migliavacca
Federica Boschetti
Giancarlo Pennati
Lorenza Petrini
Virginio Quaglini
Manuela Teresa Raimondi
Pasquale Vena
Luigi Baglioni
Anno di avvio attività
Beginning of activity
Cooperazioni nazionali e internazionali
National and international collaboration
Istituto Ortopedico Galeazzi, Milano
Ospedale San Raffaele, Milano
Ospedale Santa Corona, Pietra Ligure (SV)
Fondazione Leonardo, Savigliano (CN)
Technische Universitaet Vienna, Austria
Sito web
Website
http://www.labsmech.polimi.it
104
2000
Nei trattamenti di riabilitazione motoria è importante
poter disporre di efficaci sistemi e metodologie per
la progettazione di protesi, ortesi, tutori e ausili,
come pure per la caratterizzazione biomeccanica dei
materiali e funzionale dei componenti da utilizzare in
tali dispositivi.
Una corretta progettazione consente infatti di ottenere
le migliori prestazioni in termini di resistenza e
funzionalità biomeccanica, di durata e di qualità della
vita del paziente utilizzatore, nonché la riduzione dei
tempi e dei costi di progetto.
Protesi e ausili tradizionali sono in genere progettati,
realizzati e adattati agli specifici pazienti cui sono
destinati. In genere lo sviluppo è un processo
sequenziale piuttosto lungo, con necessità di frequenti
retroazioni e adattamenti del progetto per rispondere
alla disabilità e alle esigenze del singolo paziente.
Appare oggi molto più efficiente un percorso di
progettazione integrato che, partendo dai dati
anatomici di uno specifico paziente, consenta di
passare rapidamente e in maniera economica dal
progetto concettuale a un prototipo virtuale con il
quale simulare il funzionamento in esercizio, prima
di muovere alla realizzazione del dispositivo finale
specifico per il paziente. La metodologia adottata dal
Laboratorio di Meccanica delle Strutture Biologiche
(LaBS) del Dipartimento di Ingegneria strutturale
consiste nell’integrazione stretta fra simulazione
numerica e attività sperimentali, includendo in
queste ultime sia la caratterizzazione dei materiali
previsti per le applicazioni biomediche sia la verifica
delle funzionalità di protesi e ausili.
In particolare il LaBS vanta una esperienza più che
quinquennale nelle seguenti aree:
1. caratterizzazione meccanica di materiali per
uso biomedico (metallici, ceramici, polimerici,
compositi, leghe a memoria di forma);
2. caratterizzazione funzionale di dispositivi
biomedici (per esempio protesi e ortesi ortopediche,
tutori, fissatori e mezzi per osteosintesi) in
condizioni rappresentative delle applicazioni
riabilitative previste;
3. ideazione, progettazione e sviluppo di protesi e
ortesi ortopediche e di dispositivi di osteosintesi.
Nel seguito sono presentate a titolo di esempio
alcune attività attualmente in corso al LaBS, relative
alla progettazione di dispositivi per la riabilitazione.
In motion rehabilitation treatments there is a strong
need for systems and methodologies to design
prostheses and ortheses and assistive devices as well
as to characterise thoroughly both materials and
components for use in these applications.
A proper design methodology allows one to obtain
the best performances in terms of biomechanical
functionality, durability and life quality of the
patient as well as a relevant cut in project costs and
times. Conventional prostheses and assistive devices
are usually designed, manufactured and adapted
to the specific patients. The development phase is
generally a sequential and lengthy procedure, often
requiring feed-back phases and project changes
to match the disabilities of the specific patient.
Nowadays a concurrent design approach appears
more efficient, which moves from the patient specific
data towards a virtual prototype, smoothly, quickly
and cheaply. The virtual prototype can be used to
simulate the operative conditions, before freezing
the design and moving to the manufacturing in large
numbers. The Laboratory of Biological Structure
Mechanics (LaBS) of the Department of Structural
Engineering of Politecnico di Milano operates
by integration of computational methods with
experimental activities. The latters include both the
characterisation of materials and the assessment of
biomechanical capabilities of devices.
In particular LaBS offers a five-year expertise in the
following areas:
1. mechanical characterisation of materials for
biomedical use (metallic, ceramic, polymeric,
composite, shape memory alloys);
2. biomechanical characterisation of biomedical
devices (e.g.: orthopaedic prostheses and ortheses,
fixators and osteosynthesis tools) in experimental
set-ups very close to the actual operating conditions
in rehabilitation procedures;
3. design and development of orthopaedic prostheses
and ortheses and osteosynthesis tools.
A few examples of LaBS activities in this field are
briefly reported in the following.
Development of a spinal device for stabilization
of a spine lumbar segment
One of the commonest causes of low back pain is
caused by a degenerative disc disease, related to
105
1.
Sinistra e centro: dispositivo “U”
interspinoso in lega di titanio
(Ti6Al4V) [fonte: Paradigm Spine
www.paradigmspine.com];
destra: modello agli elementi
finiti del segmento vertebrale
lombare L4-L5 con il dispositivo
impiantato (in verde) [Journal
of Mechanics in Medicine and
Biology, Vol. 5, No. 2 (2005)
375–382]
Left and centre: titanium alloy
(Ti6Al4V) interspinosus “U”
device [courtesy of Paradigm
Spine www.paradigmspine.
com]; right: finite element
model of the vertebral lumbar
segment L4-L5 with implanted
device (green) [Journal of
Mechanics in Medicine and
Biology, Vol. 5, No. 2 (2005)
375–382]
Progettazione di un dispositivo per la
stabilizzazione di un segmento lombare della
colonna vertebrale
2.
Fissatore esterno per il
trattamento di fratture diafisarie
delle ossa lunghe
External fixator for treatment
of diaphysis fractures of long
bones
a change in disc shape (either collapse or hernia)
with consequent loss of functionality. When the
rehabilitation and the pharmacological therapy are
Una delle più comuni cause di dolore nella regione
not sufficient for pain relief, the patient is subjected
lombare della colonna vertebrale è dovuta alla
to a surgical treatment, which might imply the
degenerazione dei dischi intervertebrali, legata a una implantation of a biomedical device. The surgical
variazione della forma (collasso oppure ernia) del
treatment consists in a neural decompression (either
disco con conseguente perdita di funzionalità. Per il herniectomy or nucleotomy), often followed by one
trattamento chirurgico delle patologie degenerative
of the following procedures: the intersegmental
del disco intervertebrale si esegue la decompressione fusion, the arthroplasty and the dynamic
neurale (erniectomia, nucleotomia), spesso
stabilization. Nowadays, the attention by medicine,
seguita da fusione intersegmentale, artroplastica o
in particular neurosurgery, and engineering to the
stabilizzazione dinamica. Attualmente sta crescendo degenerative diseases of the spine is growing fast,
l’interesse della medicina, in particolare della
due to the high medical, economic and social costs
neurochirurgia, e dell’ingegneria nei confronti
associated to the treatment and rehabilitation of
di questa patologia degenerativa della colonna
patients suffering from these problems, and to the
vertebrale, a causa degli alti costi medici, economici derived motion disabilities and lost working hours
e sociali legati al trattamento e alla riabilitazione
for the patients. Thus, the achievement of a correct
dei pazienti affetti da questi problemi, nonché alla
understanding of the biomechanics of a lumbar
disabilità motoria e alle ore lavorative perse dai
motion segment, healthy and nucleotomized, and
pazienti. Il primo passo verso una possibile soluzione the role played by each anatomical structure of
a questo problema, consiste nel raggiungimento
the system, is the first step to solve the problem.
di un elevato grado di comprensione della
The development of a reliable computer model,
106
biomeccanica di un segmento motorio lombare,
sano e nucleotomizzato. In particolare va chiarito il
ruolo svolto da ogni singola struttura anatomica che
costituisce il sistema, in modo da poter sviluppare un
modello computazionale, capace di predire l’efficacia
di un dispositivo per la stabilizzazione della colonna
vertebrale lombare, in termini di compatibilità
biomeccanica. Il dispositivo deve essere in grado
di ripristinare le funzionalità naturali, ridotte dalla
patologia e/o dalla operazione chirurgica, grazie
alle sue caratteristiche geometriche e al materiale
impiegato. Quello descritto sembra essere un
approccio promettente alla progettazione e alla
valutazione di questo tipo di dispositivi.
Progettazione di un fissatore esterno per fratture
delle ossa lunghe
Le fratture diafisarie di ossa lunghe possono essere
trattate attraverso l’utilizzo di un fissatore esterno:
tale tecnica è ormai in uso corrente nella pratica
clinica per i vantaggi legati alla riduzione dei
tempi di guarigione. Tale riduzione viene ottenuta
attraverso una riabilitazione più intensa in virtù
del fatto che il paziente può caricare l’arto già il
giorno successivo all’intervento, permettendo così
una stimolazione efficace del sito di frattura al fine
di ottenere una formazione precoce del callo osseo.
La stessa metodica può essere utilizzata anche per i
trattamenti di modifica della configurazione degli
arti superiori e inferiori in svariati casi di patologie
nella crescita delle ossa (nanismo, displasie ossee,
artrosi con deformità ecc.): in questi casi l’osso
viene fratturato opportunamente e vengono
eseguiti degli allungamenti progressivi fino al
raggiungimento della configurazione ossea prevista.
L’affidabilità biomeccanica di tali dispositivi viene
verificata attraverso prove pre-cliniche effettuate in
laboratorio: la resistenza meccanica degli svariati
componenti del fissatore viene testata attraverso
prove statiche e dinamiche eseguite secondo
protocolli opportunamente sviluppati e validati.
Studio di protesi totale di ginocchio con
specifiche condizioni dinamiche derivanti
dall’analisi del ciclo del passo
Le tecniche di protesizzazione di ginocchio
hanno evidenziato un importante sviluppo
able to predict the effectiveness of a spinal device
in terms of its biomechanical compatibility, seems
to be a promising approach for the design of a
device, which has shape and materials able to
restore the biomechanical functions, crippled by the
nucleotomy.
Design of an external fixator for fractures of long
bones
Fractures of the diaphysis of long bones can be
treated through the use of an external fixator: this
technique is currently used in the clinical practice
due to the short time for fracture healing. Such
reduction in the healing time is obtained trough
a more severe rehabilitation protocol thanks to
the fact that the patient can load the fractured
leg even the day after the operation. This fact
permits an effective stimulation of the fracture
site in order to obtain an early formation of the
bone callus. This methodology can also be used to
obtain modification of the upper and lower limbs
configuration in several bone growth pathologies
(dwarfism, bone dysplasia, arthrosis deformities
etc.). For these cases the bone is purposely fractured
and a progressive lengthening is performed till
the desired bone configuration is reached. The
biomechanical reliability of such devices is verified
through pre-clinical in-vitro tests: the mechanical
strength of the different fixator components is
tested by means of static and dynamic experiments
following specific and validated protocols.
Study of total knee prosthesis with subjectspecific kinematics and kinetics data from gait
analysis
Even since the introduction of the hinged knee
arthroplasty the product was a success for all
the people suffering from severe joint diseases,
giving them back both functionality of the joint
and the ability to move it without pain. Since this
primary success in knee joint replacement, many
improvements have been made. For example, the
shift from the basic hinged total knee arthroplasty
(TKA) to a more complex design in which the
articular bearing surfaces of the femur and tibia
were replaced and completed with a polyethylene
insert. Clinical follow-up studies gave quantitative
107
3.
Protesi di ginocchio a piattaforma
rotante (a sinistra)[fonte DePuy
Orthopaedics] e modello ad
elementi finiti (a destra)
Low contact stress rotating
platform of a knee prosthesis
(left) [courtesy of DePuy
Orthopaedics] and finite
element model (right)
4.
Sforzo equivalente di Von Mises
nell’inserto rotante in polietilene
Von Mises stress component
in the polyethylene rotating
platform insert
dall’introduzione dei dispositivi multi-componente:
componente femorale, componente tibiale e
inserto in polietilene. Tuttavia studi clinici hanno
fornito indicazioni qualitative circa modalità di
fallimento delle protesi di ginocchio a medio e
lungo termine a seguito di fenomeni di usura a
carico del componente polimerico. La progettazione
di tali dispositivi attualmente è basata anche su
modelli numerici atti a studiare il comportamento
meccanico. Tali modelli sfruttano le potenzialità
dell’approccio a elementi finiti e presuppongono la
conoscenza delle condizioni cinematiche e di carico
agenti sul dispositivo. Attualmente tali condizioni,
indicate anche in normative internazionali, si
riferiscono a studi sulla dinamica del cammino di
soggetti giovani e sani. Tuttavia la maggioranza
degli interventi di protesizzazione sono relativi a
soggetti anziani con diverse patologie articolari;
ciò determina differenze sostanziali nelle effettive
condizioni di esercizio del dispositivo impiantato.
Inoltre la presenza della protesi determina ulteriori
variazioni nella dinamica del passo dei soggetti
rispetto agli attuali standard di riferimento.
information on the survival of the total knee
arthroplasty, while retrieval studies gave an
insight in the mode of failure of the prosthesis.
Currently, additional types of research are becoming
increasingly important. One of those methods
is finite element (FE) analysis. With this method
it is possible to simulate (contact) stresses in the
prosthesis and predict some aspects of the clinical
behaviour of the TKA.
The standardized kinematic and kinetic patterns
adopted in numerical simulations are usually derived
from young and healthy individuals, according
to suggestions in international standardization
protocols. TKAs, however, are usually implanted in
elders, and it is known that kinematic and kinetic
gait parameters differ between these groups. Besides,
the TKA itself also influences the kinetics and
kinematics of the knee, abnormalities in maximum
knee flexion angles, stride length and walking speed
have been reported. It is thus very likely that gait
kinematics and kinetics in the elderly with a TKA
are very different from the gait kinematics and
kinetics of healthy young individuals. This could be
108
Questi fattori possono essere concausa di un
fallimento dell’impianto prematuro rispetto alle
previsioni di progetto. Lo studio in corso si pone
l’obiettivo di indagare gli effetti dell’utilizzo di
condizioni al contorno derivanti dall’analisi del
cammino di soggetti protesizzati in modelli agli
elementi finiti in termini di sforzi di contatto
sull’inserto polimerico. Lo studio sino ad ora ha
visto la selezione di tre pazienti protesizzati con un
dispositivo a piattaforma rotante di cui sono stati
rilevati i dati di cammino mediante un protocollo
di acquisizione sperimentale. Sono stati quindi
sviluppati modelli a elementi finiti dei dispositivi
specifici ai tre soggetti considerando condizioni al
contorno derivanti dalle misurazioni effettuate sui
pazienti. I risultati ottenuti da questi modelli sono
quindi stati confrontati con quelli ottenuti mediante
un quarto modello numerico relativo a condizioni
corrispondenti alla dinamica del cammino di un
soggetto standard.
a reason for early failure of the TKA. This research
study is based on the observation that the gait of
subjects with a TKA is very different from the gait
of young, healthy subjects. In order to answer the
research question, gait analysis has been performed
up to now on three patients with a low contact stress
rotating platform, so that kinematics and kinetics
of the knee can be determined. Three FE models of
a TKA, identical to those implanted in the subjects,
have been created. The kinematic and kinetic
data of each patient have been inferred from data
measured from gait analysis experimental protocol
and consequently applied to the specific FE model.
In all models a stance phase of the gait cycle has been
simulated. Then the calculated contact stresses in the
polyethylene insert have been analysed quantitatively
and qualitatively.
109
Diagnosticare
Diagnosis
112. Sistemi wearable per la teleriabilitazione
Wearable devices for the telerehabilitation
116.Metodi di elaborazione di segnali e immagini per
diagnosi, monitoraggio e follow-up di malattie
degenerative dei sistemi di controllo cardiovascolare e cardio-respiratorio
Signal and image processing methods for
the diagnosis, monitoring, and follow-up of
cardiovascular and cardiorespiratory control
degenerative disease
120.Analisi e integrazione di dati e immagini anatomofunzionali per la quantificazione delle relazioni
struttura-funzione nel sistema nervoso centrale in
soggetti disabili
Analysis and integration of anathomo-functional
data and images for the quantitative evaluation
of the structure-function relations in the central
nervous system of disabled subjects
126.Monitoraggio non invasivo dell’emodinamica e del
metabolismo ossidativo nel muscolo e nel cervello
mediante spettroscopia funzionale nel vicino
infrarosso
Non invasive monitoring of hemodynamics and
oxidative metabolism in the muscle and the brain
by functional near infrared spectroscopy
Sistemi Wearable per la
teleriabilitazione
Wearable devices for the
telerehabilitation
Dipartimento di Bioingegneria
Gruppo di ricerca
Research group
Giuseppe Andreoni
Luca Piccini
Luca Maggi
Guido Panfili
Anno di avvio attività
Beginning of activity
2005
Cooperazioni nazionali e internazionali
National and international collaboration
Ospedale Valduce, “Villa Beretta”, Costa Masnaga (LC)
La diffusione di servizi di teleassistenza e assistenza
domiciliare è un fattore in costante divenire.
È un mercato intrinsecamente in crescita date
le caratteristiche sociali di invecchiamento della
popolazione, come in crescita è pure il mercato
riguardante la sicurezza (azioni di soccorso o nel
lavoro).
Il progetto ha previsto la realizzazione di un sistema
per la valutazione funzionale degli ausili meccanici
(ortesi) per pazienti disabili, in particolare soggetti
con manifesta sindrome post-polio, e di supporto
112
The diffusion of tele- and home-assistance services
is continuously increasing. It is a market with an
intrinsic growth engendered by social features of
getting old of the population, in the same way the
market about safety (first aid action or job safety) is
increasing too.
The project aims at developing a system able to
monitor biosignals on disabled people, especially
those who are affected by post-polio syndrome.
During the rehabilitation process, the measurement
of useful parameters could be employed for the
al follow-up/personalizzazione degli stessi processi
riabilitativi domiciliari e ospedalieri.
functional evaluation of specific ortheses and to
support the follow-up/customization of the same
domiciliary or in-hospital rehabilitation treatments.
Stato dell’arte
Il telemonitoraggio e la telemedicina sono settori
considerati da qualche anno promettenti ai fini
di ridurre i costi della sanità e già beneficiano di
dispositivi biomedicali da usare in remoto, ma il loro
fatturato non è significativo nell’ambito della spesa
sanitaria. L’ultimo miglio della telemedicina, ovvero
il service provider, unitamente alla complessità d’uso
degli attuali dispositivi può essere considerato il
fattore frenante dello specifico mercato.
Sulla complessità dei sistemi di telemonitoraggio,
uno dei temi di ricerca più interessanti e sviluppati
in ambito soprattutto internazionale nel settore
biomedico è quello degli smart textiles, ovvero
dei tessuti intelligenti e sensorizzati per diverse
applicazioni, tra cui il wearable computing e proprio
il telemonitoraggio quali settori di maggior studio.
Su quest’ultima applicazione il Politecnico di
Milano ha attivato una linea di ricerca che ha già
portato a un corpus di know how significativo sia in
termini di body sensor network - ossia elettronica
miniaturizzata per sensoristica distribuita e/o
intergrata nei tessuti con connessione wireless (e
non) verso un body gateway - sia in termini di
realizzazione di tessuti integranti fibre conduttive
strutturate a rete di sensori direttamente nel tessuto
nel confezionamento a maglietta.
Nell’ambito del Dipartimento di Bioingegneria
opera il WoWS! Lab (acronimo di Wearable
embedded or integrated Wireless Sensors), la cui
attività consiste principalmente nello sviluppo di
tecnologie e metodologie innovative e modelli di
raccolta dati, analisi e simulazione dell’interazione
uomo-macchina-ambiente, in particolare per lo
sviluppo e l’applicazione di Wearable Sensors e
relative metodologie per il rilievo non intrusivo
dei segnali biologici associati al comportamento
spontaneo del soggetto.
Il Politecnico di Milano ha altresì attivato una rete di
collaborazioni nel settore tessile per la realizzazione
di tali magliette sensorizzate che ha portato a
prototipi funzionali che a breve potrebbero essere
portati in fase di produzione estesa.
Ciò ha costituito il pregresso tecnologico-
State of the art
Since some years telemonitoring and telemedicine
are considered promising sectors to reduce health
costs through the use of remotely controlled
biomedical devices, but their turnover is not relevant
in the health budget. The last mile of telemedicine,
i.e. the service provider, together with a very complex
user interface of actual devices, can be considered
the stopping factor of the specific market.
About the complexity of telemonitoring systems, one
of the most interesting and in-progress international
research topic in biomedical technologies is about
smart textiles, i.e. sensorized fabric for different
applications, for example wearable computing and
non-obtrusive telemonitoring.
On this application the Politecnico di Milano
has activated a research program that has already
developed an important level of know-how both
about Body Sensor Network – e.g. miniaturized
electronic boards for distributed sensorized
platforms and/or integrated in textile with wireless
(or not) connection to a body gateway– and
about smart textiles integrating conductive fibers
structured as sensors network directly in the
wearable garment, e.g. a common T-shirt.
In the Department of Bioengineering, the
WoWS!Lab (Wearable embedded or integrated
Wireless Sensors) is active in the development of
innovative technologies, methods, data collecting
models, analysis and simulation of human-machineenvironment interface, in particular for development
and application of wearable sensors and related
methods for unobtrusive acquisition of biological
signals describing the spontaneous behavior of the
subject.
Furthermore the Politecnico di Milano activated a
network of collaborations in the textile sector for the
creation of the sensorized garments that has already
led to several functional prototypes ready to be taken
to a large scale productive phase.
This brick of techno-methodological know-how
leads firstly to the development of ideas and research
projects and secondly to the creation of a spin-off
113
metodologico importante che ha dato origine da
un lato allo sviluppo di idee e progetti di ricerca,
dall’altro alla creazione di un’idea di impresa
che potesse supportare l’Ateneo in tali iniziative
e stimolare nuova imprenditorialità nei giovani
ricercatori.
Ad esempio, la sindrome post-polio e altre patologie
inabilitanti richiedono l’utilizzo di ausili per
permettere la deambulazione ai soggetti colpiti.
Di fronte a un panorama piuttosto ampio di ortesi,
è difficile capire quale possa essere la soluzione
migliore per il paziente. Attraverso una valutazione
dell’affaticamento stimata mediante l’analisi di
parametri cardiocircolatori, si potrebbe permettere
l’identificazione del sistema più efficiente per classi
di soggetti diverse, o addirittura per il singolo
soggetto. Il solo segnale elettrocardiografico non è
comunque sufficiente, in quanto non permette di
avere indicazioni dirette sulla dinamica ematica.
Dal punto di vista fisiologico la quantità di sangue
effettivamente eiettata dal cuore può essere ottenuta
determinando il volume di sangue disponibile
all’eiezione (preload), la capacità muscolare
realmente espressa (contrattilità), la frequenza
di battiti (heart rate) e la capacità del sistema
circolatorio di accettare il volume ematico e di
distribuirlo correttamente ai tessuti dell’organismo
(resistenza vascolare sistemica). Il monitoraggio
dell’andamento del valore d’interesse fornisce segnali
corretti circa l’evolversi di eventuali patologie.
La natura clinica di queste tecniche (richiedenti
personale sanitario) portava all’applicazione di
queste tecniche solo su pazienti ricoverati e con
malattie in fase acuta.
Ora, grazie alle ormai consolidate tecniche di
ecocardiografia, ecodoppler e affini, il monitoraggio
si indirizza anche verso pazienti che non versano già
in una situazione di grave patologia, ma che soffrono
di disturbi o disfunzioni potenzialmente prodromi
di più gravi condizioni.
Tali tecniche non permettono comunque di valutare
l’andamento dei parametri legati alla dinamica
ematica in soggetti deambulanti o comunque in
movimento.
Attività svolte
Le attività sono state sviluppate in due aree:
114
1.
Sistema indossabile per
monitoraggio poligrafico su
PDA con connessione wireless
Bluetooth
Wearable system for
poligraphic monitoring on
PDA with a wireless Bluetooth
connection
2.
Esempio di segnale
impedenziometrico (blu) per la
misura di frequenza respiratoria
e Cardiac Output (in blu) ed ECG
(in rosso)
Example of the
impedentiometric signal for the
measurement of the breathing
rate and Cardiac Output (in
blue) and ECG (in red)
that could support the University in this activity
promoting the employment of young researcher.
For example, the post-polio syndrome and other
disabling pathologies require the use of specific
aids to allow the deambulation of subjects affected
by those disabilities. In order to identify the best
solution for each subject, it is conceivable to analyse
cardiovascular load and other indicators to estimate
the fatigue. The only use of the Electrocardiogram
(ECG) is not enough to satisfy these requirements,
usually echocardiography and similar techniques
allow to measure the blood pumped by the heart
in order to obtain indications about the workload
of the cardiovascular system. Until now there is
not the possibility to obtain such measures in an
unobtrusive way, during the subjects rehabilitation
process. Such a kind of monitoring could allow the
prevention of more severe disorders.
Current Activities
Our project is involved in two main areas:
- Optimizazion of the system dedicated to the
measure of the cardiac output and its integration
- Consolidamento della tecnologia per la
misurazione della gittata cardiaca attraverso tecnica
impedenziometrica e integrazione con dispositivo
per la rilevazione dell’elettrocardiogramma (ECG)
realizzato in precedenza.
- Campagna di test.
Si sono ripresi i concetti propri delle tecniche di
misura impedenziometrica, noti in letteratura,
caratterizzate da principi fisici che ben si adattano
alle richieste di monitoraggio non intrusivo con
sistemi indossabili dal paziente. Questi ultimi sono
oggetto di studio del gruppo di ricerca e hanno
portato alla realizzazione di magliette sensorizzate
per il tele-monitoraggio di alcuni segnali biologici
(Figura 1).
La tecnica impedenziometrica si basa sull’iniezione
di una corrente tramite una coppia di elettrodi e la
rilevazione della differenza di potenziale. prodotta
dal corpo grazie ad un’altra coppia di elettrodi
posta internamente ai precedenti due. La corrente
alternata iniettata ha un’ampiezza estremamente
limitata, entro comunque le soglie di sicurezza,
garantendo inoltre l’erogazione di una carica netta
iniettata nulla, assecondando le normative legate
agli stimolatori o comunque ai dispositivi che
contemplano iniezione di corrente in un soggetto.
L’elevata frequenza dell’onda di stimolazione a cui si
lavora risolve il problema dell’interferenza con altri
segnali biologici, in primis l’elettrocardiogramma
(Figura 2).
Il sistema comprenderà inoltre una serie di
accelerometri per la valutazione dell’attività motoria,
ed un dispositivo per la rilevazione di temperatura
e tasso di sudorazione per completare il quadro di
analisi. Grazie al sistema di collegamento wireless
e ad un gateway domestico, i dati potranno essere
spediti al centro di riabilitazione in tempo reale, o
quando necessario, per una valutazione clinica.
with the present system for the ECG signal monitoring.
- Trials and validation.
Starting from the standard techniques for the
impedance Cardiography, we designed and
developed a specific system for the unobtrusive
measure of Cardiac Output embedded in a
wearable device. This latter technologies have been
studied and developed during the last four years
by our group, leading us to the realization of some
prototypes (Figure 1). The impedance technique is
based on the injection of a current by a couple of
electrodes and the detection of upper thorax voltage
difference thanks to another couple of sensors
situated between the previous pair. The injected
alternate current has a very limited amplitude,
ensuring an injected charge equal to zero to satisfy
and to respect the norms about electro-stimulators
or devices injecting current through the subject
in general. The high frequency of the wave solves
the problem of interference with other biological
signals, first of all the electrocardiogram (Figure
2). Moreover the system will have a number of
accelorometers for the motor activity evaluation and
a device for the measurement of the temperature
and pherspiration coefficent in order to control the
clinical situation.
Thanks to a wireless communication system and
to a home gateway, the data will be sent to the
rehabilitation centre in real time or when the
medical equipe needs them, to make a clinical
evaluation.
115
Metodi di elaborazione di segnali e
immagini per diagnosi, monitoraggio e
follow-up di malattie degenerative dei
sistemi di controllo cardio-vascolare e
cardio-respiratorio
Dipartimento di Bioingegneria
Gruppo di ricerca
Research group
Signal and image processing methods
for the diagnosis, monitoring, and
follow-up of cardiovascular and
cardiorespiratory control degenerative
disease
Sergio Cerutti
Giuseppe Baselli
Maria Gabriella Signorini
Anna Maria Bianchi
Luca Mainardi
Enrico Caiani
Federico Aletti
Valentina Corino
Federico Esposti
Manuela Ferrario
Valentina Magnagnin
Frederic Vallais
Anno di avvio attività
Beginning of activity
1990
Cooperazioni nazionali e internazionali
National and international collaboration
Ospedale Luigi Sacco, Milano
LITA “Vialba”, Milano
Ospedale S.Paolo, Milano
Ospedale Galeazzi, Milano
Clinica della Medicina del Lavoro di Montescano (PV)
Università dell’Insubria, Varese
Istituto Superiore di Sanità, Roma
Università degli Studi di Bologna, DEIS
Centro Cardiologico Monzino, Milano
Department of Electroscience - Lund University, Svezia
Laboratory of signal processing - University of
Rennes 1, Francia
University of Saragozza, Spagna
Massachussets Institute of Technology, Boston, USA
Noninvasive Cardiac Imaging Lab - University of
Chicago, USA
116
Le disabilità legate alle funzioni cardiovascolari (CV)
e cardiorespiratorie (CR) e ai relativi meccanismi
di controllo, stanno acquistando sempre maggiore
rilevanza epidemiologica, che si affianca ad una
aumentata aspettativa di vita nei paesi occidentali.
Questo può essere dovuto allo sviluppo di processi
degenerativi cronici o agli esiti di episodi acuti
che sono oggi trattati con un aumentato margine
di successo, per quanto riguarda un immediato
pericolo di vita, ma che portano a una riduzione
della qualità della vita stessa.
Le cause di patologie degenerative spaziano
da disturbi quali l’ipertensione o le dispnee
notturne fino a gravi patologie quali il diabete o le
cardiomiopatie. L’infarto cardiaco è il principale
episodio acuto che provoca alterate funzioni CV con
assoluta necessità di follow-up e di una appropriata
riabilitazione.
Il monitoraggio domiciliare e durante la normale
vita quotidiana sul lungo periodo di pazienti a
rischio è uno degli aspetti principali considerati nel
progetto FIRB. La possibilità di cure domiciliari è
un punto chiave nel ripristino di una vita normale
durante il processo di riabilitazione dopo un
episodio ischemico acuto.
La variabilità cardiaca (HRV) è un segnale non
invasivo largamente utilizzato sia per la detezione di
episodi aritmici che per la valutazione delle funzioni
autonomiche durante il normale ritmo sinusale.
Una nuova generazione di sensori indossabili,
integrabili in indumenti o magliette usati
quotidianamente, è allo studio nel progetto UE
MyHeart, con lo scopo di estendere il monitoraggio
a condizioni che possono essere critiche, quali
ad esempio il sonno. Negli ultimi anni, notevole
sforzo è stato dedicato allo studio dei disordini del
sonno, che sono comunemente trascurati, quando
invece hanno una vasta incidenza epidemiologica
e gravi conseguenze sia sullo stato neurologico
che sulle funzioni CV. Episodi di apnea notturna
e i microrisvegli associati sono molto comuni.
Allo stesso tempo l’accesso ai centri del sonno
è limitato e non è in grado di fornire screening
su larga scala. Una possibile soluzione a questo
problema potrebbe essere nella caratterizzazione dei
disturbi del sonno sulla base di segnali CV, acquisiti
tramite sistemi indossabili utilizzati sia nella fase
Impairments due to diseases of cardio-vascular
(CV), cardio-respiratory (CR) function and
their regulation mechanisms have an increasing
epidemiological importance which parallels the
prolonged expected duration of life in western
countries.
This can be due to the development of chronic
degeneration processes or to the outcome of acute
episodes which are treated with increasing success,
as to the immediate life threatening, but which still
leave a condition of a limited life quality.
Degeneration causes can range from disturbances
such as hypertensions or nocturnal dispnea to severe
pathologies such as diabetes or cardiomyopathies.
Myocardial infarction is the most important acute
episode leaving an altered CV function with a
stringent necessity of follow-up and appropriate
rehabilitation.
Long-term monitoring of patients at heart risk at
home and during the normal day life is one of the
main aspects considered by the FIRB project. Home
care facilities are a key point in the restoration of
a normal life in rehabilitation processes after acute
ischemic episodes. Heart rate variability (HRV)
is a non-invasive signal widely used both for the
detection of arrhythmic episodes and for the
assessment of autonomic function during normal
sinus rhythm.
A new generation of wearable sensors, to be
imbedded in commonly used underwear or T-shirts
is addressed by the EU “My Heart” project with the
aim of extending monitoring to crucial conditions
such as sleep. In recent years, considerable research
efforts have been devoted to the assessment of
sleep disorders, which are commonly overlooked
while having a vast epidemiological incidence
and severe effects on both the neurological status
and the CV function. Episodes of sleep apnea and
associated micro-arousals have been discovered to
be very common. However, the access to sleep labs
is limited and can not cover wide screening studies.
Characterization of sleep disorders from CV signals
recorded via wearable sensors can be the solution of
this problem leading to better diagnosis, treatment,
and follow-up of these disturbances. Figure 1 shows
the time-frequency analysis of the HRV signal in
a normal subject and in a patient with obstructive
117
1.
Analisi tempo-frequenza del
segnale HRV in un soggetto
normale e in un soggetto affetto
da apnee ostruttive (OSA)
durante il sonno
Time-frequency analysis of the
HRV signal in a normal subject
and in a patient affected by
obstructive sleep apnea (OSA)
di diagnosi, durante il trattamento e il followup di questi disturbi. La Figura1 mostra l’analisi
tempo-frequenza del segnale HRV in un soggetto
normale e in un paziente con apnee ostruttive (OSA)
durante il sonno. Un progetto collaterale relativo al
monitoraggio CR riguarda i neonati prematuri e la
prevenzione dalla morte improvvisa.
La fibrillazione atriale è una condizione
patologica che tende a cronicizzarsi con un
elevato rischio di trombosi e una considerevole
compromissione funzionale. Recenti studi su
elettrocardiogrammi endocavitari sono di grande
aiuto nella comprensione dei meccanismi di genesi
e di organizzazione della fibrillazione. Una più
accurata diagnosi è la ricaduta immediata per
una pianificazione del trattamento farmacologico
o di ablazione. In prospettiva, i defibrillatori
impiantabili saranno attivati da opportuni rilevatori
di fibrillazione.
Lo sviluppo di metodologie quantitative per
l’estrazione di parametri funzionali da immagini
ecografiche 2D convenzionali e dalle nuove
immagini 3D real time, forniscono al clinico nuovi
118
sleep apnea (OSA). A collateral project relevant
to CR monitoring is concerned with premature
newborns for the prevention of sudden infant death.
Atrial fibrillation is a pathological condition which
is frequently prone to a chronic stabilization
with a highly increased risk of thrombosis and
sizable functional impairment. Studies on invasive
intracavitary electrograms help in the understanding
of fibrillation onset and organization.
The immediate fallout is in better diagnosis and
in the planning of pharmacological or of ablation
therapy. In perspective, suitable fibrillation detectors
would trigger implanted defibrillators.
The development of quantification techniques
aiming at extracting functional parameters from
conventional 2D, and new real-time 3D images can
provide the clinician with additional tools for the
assessment of the cardiac function. The quantitative
evaluation of both right and left ventricular function
is, in fact, important to give information both in the
acute phase and in follow-up, to test the effects of
pharmacological treatment. In collaboration with
the University of Chicago and the University of
2.
Studio di perfusione miocardica
mediante mezzo di eco-contrasto
composto da microbolle
A myocardial perfusion study
by means of echo-contrast
micro-bubbles
strumenti per la definizione della funzionalità
cardiaca. La valutazione quantitativa delle
funzionalità ventricolare destra e sinistra è, infatti,
importante per ottenere informazioni sia nella fase
acuta che nel follow-up, per testare gli effetti del
trattamento farmacologico. In collaborazione con
l’Università di Chicago e con l’Università di Bologna
sono stati sviluppati algoritmi specifici per l’analisi
ecocardiografica 3D, che permettono di calcolare
le dimensioni delle camere cardiache, la massa e la
funzionalità. Progetti in corso riguardano lo studio
delle valvole cardiache in quanto a movimento e
deformazione, le alterazioni nella regolazione CR
per scompenso cardiaco, la perfusione miocardica
mediante eco-contrasto con microbolle, come
mostrato in Figura 2. In collaborazione con
l’Ospedale Galeazzi, Milano, viene studiato il flusso
coronarico con eco-Doppler.
Bologna, have been developed specific algorithms
for 3D echocardiographic analysis, which allow
the computation of cardiac chamber dimensions,
mass, and function. On going projects regard the
evaluation of cardiac valves motion tracking and
deformation quantification, the impairment of CR
under heart failure condition, echo-contrast media
(microbubbles) as shown in Figure 2.
In collaboration with the Galeazzi Hospital, specific
algorithms for coronary Doppler analysis have been
developed.
119
Analisi e integrazione di dati e
immagini anatomo-funzionali per la
quantificazione delle relazioni strutturafunzione nel sistema nervoso centrale in
soggetti disabili
Analysis and Integration of anathomofunctional data and images for the
quantitative evaluation of the structurefunction relations in the central nervous
system of disabled subjects
Dipartimento di Bioingegneria
Gruppo di ricerca
Research group
Giuseppe Baselli
Anna Maria Bianchi
Sergio Cerutti
Michele Butti
Silvia Casarotto
Sara Marceglia
Anno di avvio attività
Beginning of activity
2000
Cooperazioni nazionali e internazionali
National and international collaboration
Università degli Studi di Milano, Dipartimento di
Scienze Neurologiche, Fondazione IRCCS Ospedale
Policlinico, Milano
IRCCS Istituto Nazionale Neurologico “Carlo Besta”,
Milano
IRCCS La Nostra Famiglia Istituto Medea di Bosisio
Parini (LC)
Sezione scientifica dell’Ospedale Valduce “Villa
Beretta” di Costamasnaga (LC)
Istituto di Fisiologia Clinica, CNR, Pisa
Dipartimento di Ingegneria dell’Informazione,
Università di Pisa
Unità Operativa di Neuropsichiatria per l’Infanzia
e l’Adolescenza, Azienda Ospedaliera“G. Salvini”,
Ospedale di Rho (MI)
Laboratorio di Biochimica Clinica e Biologia
Molecolare, Università di Pisa
School of Biomedical Engineering, Science & Health
Systems Drexel University, Philadelphia, USA
120
La ricerca sulla disabilità riveste differenti aspetti,
che coinvolgono sia la diagnosi sia la terapia e
la riabilitazione. Questi non sono separati ma
costituiscono, piuttosto, parti di uno stesso processo.
In particolare la riabilitazione è volta al recupero
di funzonalità perse, per esempio movimenti o la
capacità di parlare, in seguito ad eventi traumatici,
o a stroke, o per patologie sia congenite sia
degenerative. Lo studio è principalmente volto alla
valutazione di come la funzionalità persa viene
ripristinata o attraverso le vie naturali o tramite
funzionalità differenti. Una misura dell’efficacia
della riabilitazione può essere la differenza tra la
funzionalità recuperata e quella fisiologica. Minore
attenzione è generalmente rivolta al sistema nervoso
centrale (CNS) e ai meccanismi attraverso i quali
il cervello si riadatta a una modificata situazione
periferica.
Lo studio funzionale del sistema nervoso centrale si
avvantaggia oggi di numerose e differenti modalità
che vanno dall’immagine funzionale (fMRI, PET,
SPECT, NIRS), alle registrazioni multicanale di
segnali (EEG, MEG). Tutte queste metodiche sono
caratterizzate da differenti risoluzioni spaziali e
temporali, da differenti livelli di invasività e da
differenti capacità di esplorare specifiche regioni
cerebrali. Tutte traggono vantaggio dalle crescenti
capacità di elaborazione digitale. In particolare
l’integrazione di due o più differenti modalità è in
grado di combinare i) l’ottima risoluzione temporale
di EEG e MEG con l’elevata risoluzione spaziale di
MRI o TAC; ii) le informazioni metaboliche della
SPECT e della PET, con quelle emodinamiche della
BOLD fMRI e della NIRS; iii) le rappresentazioni
anatomiche del cervello ottenute da MRI e TAC con
le mappe funzionali di EEG e EMG, ecc.
Prima e dopo il processo di riabilitazione, lo studio
della funzionalità cerebrale può portare grandi
vantaggi a diversi livelli:
1)Valutazione quantitativa e oggettiva del danno
a livello del sistema nervoso centrale e delle
funzionalità residue che possono essere utilizzate e
potenziate nella fase della riabilitazione;
2)Monitoraggio dei processi di riorganizzazione
cerebrale durante la terapia. Questo è utile per un
adattamento continuo e personalizzato delle azioni
terapeutiche da intraprendere;
Research on disability is manifold, involving
diagnosis, therapy and rehabilitation. These different
aspects are not disjoined, but rather they are parts
of the same process. In particular rehabilitation
involves the recovery of some lost functions,
for example movement, or speaking, that are
compromised after traumatic events, or strokes or
by congenital or degenerative pathologies. The study
is generally mainly focused on the evaluation of
how the lost function is restored both through the
natural way, or through the involvement of other
different functionalities. A quantification of how
much the restored function differs from the normal
one is generally a measure of the efficiency of the
rehabilitation therapy. Minor attention is generally
dedicated to the central nervous system (CNS) and
to the mechanisms through which the brain can
readapt to a modified peripheral situation.
The functional investigation of the central nervous
system can today be supported by many different
techniques and modalities ranging from functional
imaging (fMRI, PET, SPECT, NIRS), to multichannel
signal recording (EEG, MEG). All of them are
characterized by different spatial and temporal
resolutions, by different levels of invasivity, by the
different capabilities of investigating specific brain
regions and all of them take advantage from the
growing digital processing capabilities. In particular
the integration of two or more different modalities
is able to combine i) the good time resolution of the
EEG and MEG with the high spatial resolution of
MRI or TAC; ii) the methabolic information coming
from SPECT or PET, with emodynamic evaluations
coming from BOLD fMRI and NIRS; iii) the
anatomical representation of the brain coming from
MRI and TAC, with the functional mapping of EEG,
MEG, fMRI.; etc.
Before and during the rehabilitation process the
study of brain functionalities can provide great
advantages at different levels:
1)quantitative and objective evaluation of the
central nervous system damage and of the residual
functions that can be used and empowered during
the rehabilitation process;
2)monitoring of the central nervous system
reorganization during the therapy. This is useful for
a continuous and focused personalized adjusting of
121
3)Valutazione quantitativa della situazione finale,
confronto con quella iniziale e valutazione della
plasticità cerebrale ottenuta sui singoli soggetti
mediante la riabilitazione.
Scopo del presente studio è la definizione di
metodologie adatte e lo sviluppo di algoritmi di
integrazione per il monitoraggio della funzionalità
del SNC, della plasticità e delle diverse strategie
durante diversi processi di riabilitazione che
coinvolgono funzionalità differenti. A questo
proposito vengono impiegati vari strumenti per lo
studio funzionale del SNC su gruppi selezionati di
pazienti e su controlli sani.
In particolare si studia la possibilità di integrare
differenti modalità di imaging, per sviluppare
strumenti in grado di dare una informazione
più completa possibile nel modo meno invasivo
possibile e con il minor disagio per il paziente.
L’uso clinico di queste metodiche vuole aprire e
suggerire nuove strategie riabilitative basate su
una più approfondita conoscenza dei meccanismi
fisiologici coinvolti nel ripristinare o sostituire le
funzionalità perdute.
the proper actions to be taken;
3)quantitative evaluation of the final situation,
comparison with the initial one and estimation of
the brain plasticity due to the rehabilitation in each
single subject.
Aim of the present study is the definition of proper
methodologies and integration algorithms for
monitoring the CNS functionality, brain plasticity and
the adopted strategies during different rehabilitation
processes that involve different functionalities. At this
purpose different tools for the functional investigation
of the CNS are employed and applied on selected
groups of patients and normal subjects.
In particular integration among different imaging
modalities is studied, in order to develop tools
able to provide the better and more complete
information with the minimal invasivity and
discomfort for the patient.
The clinical use of multimodal monitoring of the CNS
is intended to open and suggest new rehabilitation
strategies based on a deeper knowledge of the
physiological mechanisms adopted by the whole system
for restoring or for substituting the lost functions.
Applicazioni
Applications
Riabilitazione cognitiva
I processi cognitivi sono molto complessi e per
lo più sconosciuti. Quando qualche funzione è
compromessa (per esempio la capacità di mantenere
un’attenzione prolungata dopo un trauma), o
qualche capacità manca (per esempio la capacità di
imparare a leggere e a scrivere nella dislessia), una
riabilitazione mirata aiuta a raggiungere prestazioni
molto simili a quelle normali. Tuttavia una migliore
comprensione dei processi coinvolti può aiutare
nella scelta delle procedure riabilitative più adatte al
singolo soggetto.
In compiti che richiedono attenzione sostenuta
sono maggiormente coinvolte le aree frontali e la
loro attivazione può essere rilevata da fMRI, NIRS
e ERP (event related potentials). Le varie attività
EEG a diverse latenze vengono quantificate e
mappate sullo scalpo e ogni variazione può essere
rilevata con una risoluzione temporale molto
alta. D’altra parte fMRI e NIRS danno un’ottima
localizzazione spaziale delle aree coinvolte a livello
corticale. Il confronto tra soggetti normali e pazienti
Cognitive rehabilitation
Cognitive processes are very complex and mostly still
unknown. When some function is lost (for example,
the capability of maintaining prolonged attention
after a trauma), or when some ability is missing
(for example the capability of learning reading
and writing in dyslexia), proper rehabilitation can
be helpful in reaching performances very close to
normality. However a deeper understanding of the
involved processes may be helpful in the choice of
the proper and personalized rehabilitative steps.
In tasks of sustained attention, frontal areas are
mainly involved and their activation, in space and
in time, can be put into evidence through fMRI,
NIRS and ERPs. The different EEG activities at
different latencies are quantified and mapped on
the scalp and any change can be detected with
a very high temporal resolution. On the other
hand fMRI and NIRS provide a very good spatial
localization of the involved areas at cortical level.
Comparison between normal subjects and patients
with impaired sustained attention, due to traumas,
122
1.A
Evoluzione temporale delle
mappe di potenziale in
corrispondenza delle onde N2 e
P3, collegate a processi attentivi
e cognitive durante un task di
attenzione sostenuta
Temporal evolution of the
potential maps of the waves
N2 and P3, related to attention
and cognitive processes
during the task of sustained
attention
1.B
Attivazioni corticali fMRI durante
il medesimo task
fMRI cortical activation during
the same task
con problemi di attenzione, conseguenti a traumi,
permette di identificare differenti meccanismi
e possibili differenze nelle relazioni strutturafunzione. La Figura 1.A mostra l’evoluzione
temporale delle componenti ERP legate ai processi
attentivi e cognitivi, mentre la Figura 1.B mostra
la rappresentazione 3D mediante fMRI delle aree
attivate.
Nella dislessia, per studiare i processi di lettura,
gli ERP vengono studiati nei bambini normali e
nei bambini dislessici. Si vogliono individuare le
differenze tra i due gruppi, legate a compiti diversi
in grado di coinvolgere, in modo differenziato,
l’attenzione, l’elaborazione visiva e cognitiva nelle
diverse aree corticali. Il task è stato progettato
per attivare in modo selettivo le diverse funzioni
e individuare meglio la natura della disfunzione.
L’associazione con la fMRI consente una migliore
identificazione delle aree coinvolte e una più precisa
classificazione della patologia. L’integrazione
delle due metodiche è volta a mettere in evidenza
possibili differenze a livello della connettività ed
organizzazione funzionale nei soggetti patologici.
allows the identification of different mechanisms
involved and of possible differences in the structurefunction relation. Figure 1.A shows the temporale
evolution of the ERP waves related to attention
and cognitive processes, while Figure 1.B shows the
3D representation of the activated areas obtained
through fMRI.
In dyslexia, in order to investigate the reading
processes, event-related potentials (ERPs) are
recorded in normal children and in children with
developmental dyslexia. Aim of the study is the
identification of differences between the two groups,
related to different tasks, involving, at different levels,
attention, visual or acoustical elaboration in different
cortical areas. The task is specifically designed for
eliciting the different function selectively and for
identifying the nature of the dysfunction. The
association of functional imaging through fMRI
allows to better identify the involved cortical
areas and to classify the patients according to the
dysfunctions. The integration of the two mentioned
modalities is intended to the recognition of possible
different functional connectivity and organization
123
Riabilitazione motoria
La possibilità di recuperare le attività domestiche
e sociali è un obiettivo fondamentale nella
riabilitazione neurologica dopo la stroke. Per
indagare i meccanismi coinvolti a livello del
sistema nervoso centrale, è stato implementato
un protocollo di movimento della caviglia e della
mano sia per gli arti compromessi sia per quelli
sani. L’attività cerebrale è monitorata da fMRI
ed EEG per studiare le strategie e la plasticità
cerebrale durante la fase riabilitativa. Uno studio
più approfondito, subito dopo la fase acuta si
propone di fornire una misura oggettiva delle
funzionalità residue, sia emodinamiche sia elettriche.
Il monitoraggio durante la terapia vuole mettere
in evidenza le dinamiche del recupero. Lo scopo è
lo studio quantitativo del processo riabilitativo, la
migliore comprensione dei meccanismi coinvolti,
la definizione di un percorso riabilitativo più
personalizzato e adeguato ai bisogni del paziente.
Riabilitazione motoria nella patologia di Parkinson
La stimolazione ad alta frequenza dei nuclei
subtalamici (Deep Brain Stimulation, DBS) è
un trattamento chirurgico molto efficace per
le complicanze della patologia di Parkinson, in
quanto va a migliorare i sintomi motori, come il
tremore, la rigidità, e la bradicinesia, e riduce il
fabbisogno di farmaci. In particolare, dopo DBS,
i pazienti presentano buone capacità motorie
per un’elevata porzione della giornata, il tremore
è ridotto, l’equilibrio è migliore, pur con dosi
minori di farmaco. Queste misure però sono
soggettive e comprimono una vasta gamma di
sintomi, prestazioni e osservazioni in una scala
molto grossolana. Gli effetti della stimolazione
ad alta frequenza possono essere monitorati
anche da misure elettrofisiologiche non invasive
(EEG registrato sullo scalpo, potenziali evocati,
registrazioni di EMG di superficie), e dalla
valutazione delle possibili correlazioni con l’EEG
di profondità. Le registrazioni EEG possono essere
effettuate durante le normali visite di follow-up e
confrontate con la situazione post-operatoria. Nella
fase post operatoria, anche l’EEG di profondità può
essere rilevato, in quanto gli elettrodi di stimolazione
sono ancora accessibili prima della connessione
124
in pathological subjects for a more focused design of
the rehabilitation process.
Motor rehabilitation
The ability to recover the home and community
activities is a fundamental goal for neurological
rehabilitation after stroke. In order to explore the
mechanisms involved at the level of the central nervous
system, a protocol of ankle and hand movement was
implemented both for the damaged and healthy sides
of the patient. The brain activity is monitored through
fMRI and EEG in order to identify the strategies and
the plasticity of the brain during the rehabilitation
phase. A deeper investigation immediately after the
acute episode is intended to provide an objective
measure of the residual functionalities, both as
emodynamic and electrical activity. The monitoring
during the therapy is intended to put into evidence
the dynamic of the recovery. The aims of the study
are in a quantitative monitoring of the effects
of rehabilitation, in the better understanding of
the mechanisms involved, in the definition of a
rehabilitation process more personalized to the
different situations and needs of the subject.
Motor rehabilitation in Parkinson disease
High frequency stimulation of the subthalamic
nucleus (Deep Brain Stimulation, DBS) is an
effective surgical treatment for complicated
Parkinson’s disease (PD), improving parkinsonian
motor symptoms, such as tremor, rigidity
and bradykinesia and reducing the need of
pharmacological therapy. In particular, after DBS,
patients experience adequate mobility for much
larger proportion of the day, tremor is substantially
reduced, balance performances are improved, with
significantly lower pharmacological dosages. These
measures, besides being almost subjective, compress
a wide range of symptoms, performances, and
observations in coarse-grained scales.
High frequency stimulation effects could also be
monitored through non-invasive electrophysiological
measures (scalp EEG recordings, evoked potentials,
surface EMG recordings) and through the evaluation
of their possible correlation with the deep EEG
activity. Electrophysiological recordings could be
performed during normal follow-up visits and could
2.
Elettrodi utilizzati per la
deep brain stimulation per
la registrazione dell’EEG di
profondita’; (b) esempio di
EEG di profondita’; (c) analisi
bispettrale dell’EEG di profondita’
registrato dai nuclei subtalamici
Electrodes used for the deep
brain stimulation and for
the deep EEG recording; (b)
example of deep EEG; (c)
bispectral analysis of the
deep EEG recorded in the
subthalamic nuclei
allo stimolatore (cfr Figura 2a). Numerosi studi
hanno messo in evidenza, infatti, elevata coerenza
tra le attività EEG corticali e subtalamiche e l’hanno
correlata con le capacità motorie dei pazienti. La
Figura 2 mostra la procedura per la registrazione
dell’EEG di profondità (a), i segnali registrati (b),
ed un esempio di elaborazione avanzata dei segnali,
basata sull’analisi bispettrale (c), per una descrizione
quantitativa dei ritmi EEG a livello dei nuclei
subtalamici. Dunque, il monitoraggio successivo può
aiutare nella migliore definizione della riabilitazione.
Infine, possibili compromissioni cognitive della DBS
non sono ancora del tutto note. Da questo punto di
vista la NIRS per il monitoraggio delle aree frontali
costituisce una procedura sicura, non invasiva,
per lo studio funzionale durante task cognitivi o
neuropsicologici.
be compared with the same recordings performed
immediately after surgery, in a post-operative
session. During this session, also deep EEG activity
could be recorded, because DBS electrodes are
still accessible, before the connection to the high
frequency stimulator (see Figure 2a). Several studies
put into evidence, in fact, the coherence between
the cortical and the subthalamic EEG activity and
the correlation of these activities with patients’
motor performances. Figure 2 shows the procedure
for deep EEG recordins (a), the recorded signasls
(b), and an example of advanced signal processing,
based on bispectral analysis (c), for the quantitative
description of the EEG rhythms at subtalamic
level. Therefore, successive electrophysiological
monitoring could help in the assessment of patient
rehabilitation. Finally, cognitive implications of
DBS treatment are not well established yet. From
this point of view, the near infrared spectroscopy
(NIRS) for the monitoring of frontal areas would be
a safe, non-invasive and no-interfering procedure
for functional investigations during, for instance,
attentional or other neuropsychological tasks.
125
Monitoraggio non invasivo
dell’emodinamica e del metabolismo
ossidativo nel muscolo e nel cervello
mediante spettroscopia funzionale nel
vicino infrarosso
Noninvasive monitoring of
hemodynamics and oxidative
metabolism in the muscle and the brain
by functional near infrared spectroscopy
Dipartimento di Fisica
Gruppo di ricerca
Research group
Rinaldo Cubeddu
Antonio Pifferi
Alessandro Torricelli
Davide Contini
Anno di avvio attività
Beginning of activity
1999
Cooperazioni nazionali e internazionali
National and international collaboration
Università di Modena, Dipartimento di Scienze
Biomediche, Sezione di Fisiologia
Unversità di Ferrara, Facoltà di Medicina, Sezione di
Fisiologia Umana
Università de L’Aquila, Dipartimento di Scienze e
Tecnologie Biomediche
Università di Firenze, Dipartimento di Fisica, Sesto
Fiorentino (FI)
University College London, Medical Physics,
Biomedical Optics Research Group, London, UK
Physikalisch-Technische Bundesanstalt, Medical
Physics, Berlin, Germania
Institute of Biocybernetics and Biomedical
Engineering, Polish Academy of Sciences, Warsaw,
Polonia
PMI Lab, NMR Center, Massachussetts General
Hospital, Boston, USA
Sito web
Website
http://www.fisi.polimi.it
126
Il monitoraggio non invasivo dell’emodinamica e del
metabolismo ossidativo è un importante metodo di
indagine nel muscolo e nel cervello.
Nel muscolo, può contribuire allo studio dei
meccanismi legati alla normale fisiologia sotto
sforzo e alla patologia (miopatie e/o vasculopatie
periferiche). Nel cervello può monitorare l’attività
cerebrale in risposta a particolari stimoli (motori,
visivi, cognitivi) e può quindi concorrere allo studio
dei processi cognitivi, alla diagnosi delle malattie
mentali, alla localizzazione di lesioni cerebrali.
Negli ultimi anni questo campo è in rapida
evoluzione in quanto stimolato dalle possibilità
offerte da tecniche di indagine quali risonanza
magnetica funzionale, tomografia a emissione di
positroni, elettroencefalografia ed elettromiografia.
In questo ambito, la radiazione ottica nella regione
spettrale del vicino infrarosso (600-1100 mm, NIR)
è un efficace mezzo diagnostico. I tessuti biologici
presentano infatti in questo intervallo spettrale una
relativa trasparenza, fornendo quindi la possibilità
di sondare in modo non invasivo anche regioni non
direttamente accessibili o non in superficie.
Inoltre i principali costituenti dei tessuti (ossiemoglobina, desossi-emoglobina, acqua e lipidi)
presentano nella regione NIR caratteristiche
spettrali distinte che possono essere usate per
ricavare importanti informazioni sulla fisiopatologia del tessuto. Tuttavia l’elevata torbidità
dei tessuti biologici, dovuta all’enorme numero
di strutture in grado di interagire con la luce (per
esempio cellule, fibre, ecc.) ha reso di difficile
interpretazione i risultati di studi iniziali basati
sull’uso di semplici tecniche ottiche con sorgenti
funzionanti in regime di onda continua (CW) e
quindi ha di fatto ostacolato la diffusione delle
tecniche ottiche e il loro impiego in ambito
clinico. Solo recentemente, una più approfondita
conoscenza della fisica della propagazione della luce
in mezzi diffusivi, insieme allo sviluppo tecnologico
dell’optoelettronica, ha contribuito allo sviluppo
di prototipi e sistemi commerciali per misure di
spettroscopia funzionale nel vicino infrarosso
(NIRS). L’attività di ricerca, condotta presso il
Dipartimento di Fisica del Politecnico di Milano
dal gruppo del Professor Cubeddu, è focalizzata
allo sviluppo di strumentazione NIRS compatta e
The possibility to monitor non-invasively
hemodynamics (i.e. evolution of blood distribution
within a biological tissue) and oxidative metabolism
(i.e. oxygenation status) in the muscle or in the
brain is a challenging and important task. In the
muscle, this can help in studying mechanisms
related to normal physiology under exercise, but
also to pathology caused by myopathies and/or
peripheral circulation diseases. In the brain, it
can lead to the monitoring of cerebral activity in
response to some stimuli (motor, visual, cognitive),
and thus it can help in the study of cognitive
processes, diagnosis of mental diseases, localization
of brain injuries. This emerging field was fostered
by the capabilities offered by magnetic resonance
imaging (MRI), positron emission tomography
(PET), electroencephalography (EEG) and
electromyography (EMG).
In this framework light is a powerful diagnostic tool
especially in the region between 600 and 1100 nm
(near infrared, NIR). On one side in this spectral
range biological tissues are rather transparent and
penetration depth is relatively high, allowing for the
noninvasive investigation of deep tissues.
On the other side, main tissue constituents (water,
lipid, oxygenated hemoglobin, and deoxygenated
hemoglobin) exhibit distinct spectral features,
which may be of help to discriminate them and to
derive information on physiopathology of tissues.
However, the widespread use of light for noninvasive investigation has been hampered by the high
scattering coefficient typical of biological tissues that
hinders spatial and spectral information contained
in endogenous chromophores.
Recently, deeper knowledge of the physics of photon
migration on one side, and technical developments
in optoelectronics components on the other side
have made it possible to extract valuable optical
information from the probed medium, and different
instruments for optical tissue oximetry – either
commercial systems or laboratory prototypes – have
been constructed. In the simplest configuration,
near infrared spectroscopy (NIRS) injects a weak
(few mW) light signal in the tissue and measure the
remitted signal which carries information on tissue
constituents and structure.
Due to absorption and scattering events the remitted
127
1.A
Spettri di assorbimento di
emoglobina ossigenata (O2Hb,
in rosso) e deossigenata (HHb,
in blu) nella regione spettrale del
vicino infrarosso
Absorption spectrum of
oxygenated (O2Hb, red curve)
and deoxygenated (HHb, blue
curve) in the near infrared
spectral region
1.B
Principio della tecnica di
spettroscopia funzionale nel
vicino infrarosso risolta nel
tempo
Principle of time-resolved
functional near infrared
spectroscopy
multicanale e all’impiego della tecnica NIRS per
studi di monitoraggio funzionale nel muscolo e nel
cervello. Il carattere innovativo della ricerca è legato
all’uso di strumentazione operante nel dominio
del tempo quali sorgenti laser in grado di generare
impulsi con durata di poche decine di picosecondi,
sensori veloci e sensibili per rivelare i deboli segnali
ottici propagantesi nei tessuti biologici. Nella sua
configurazione più semplice la misura NIRS consiste
nell’iniettare nel tessuto biologico un segnale
luminoso di debole potenza (alcuni mW) e nel
monitorare il segnale riemesso dal tessuto.
Per effetto dei fenomeni di assorbimento e diffusione
l’impulso riemesso risulta ritardato, attenuato e
allargato temporalmente. L’analisi con un modello
teorico fornisce informazioni sui coefficienti di
diffusione (μs’) e assorbimento (μa). Tipicamente sia
l’iniezione sia la raccolta del segnale NIRS vengono
effettuate mediante fibre ottiche appoggiate sulla
superficie del tessuto da esaminare, risultando quindi
in una misura totalmente non invasiva (vedi Figura 1).
Da una misura di assorbimento a due lunghezze
d’onda l1 e l2 è possibile risalire alla
pulse is delayed, broadened and attenuated. Analysis
with a theoretical model for photon migration in
diffusive media yields estimate for the absorption
(μa) and scattering (μs’) coefficients. Typically the
measurements is made with a couple of optic fibers
in contact with the surface of the tissue, resulting in a
completely noninvasive measurement (see Figure 1).
From a single measurement at two different
wavelenghts l1 and l2 it is possible to derive
oxyhemoglobin O2Hb and deoxyhemoglobin
HHb concentration. The activity of the research
group leaded by Professor Rinaldo Cubeddu at the
Department of Physics of Politecnico di Milano
has been focussed on the development of compact,
multichannel instrument for NIRS and on the use
of NIRS for noninvasive functional monitoring of
brain and muscle.
The innovative aspect of the research is the use of
time-resolved instrumentations like picosecond
pulsed laser and fast and sensitive photodetectors.
The key advantages of time-resolved NIRS are
the discrimination of the absorption coefficient
(directly related to tissue constituents) and the
128
2.
Ergometro usato per le prove di
flessione plantare (Torricelli et al,
Phys. Med. Biol., 49:685–699,
2004)
The ergometer developed
and used for plantar flexion
exercises
concentrazione di ossiemoglobina e desossiemoglobina. Tra i vantaggi chiave della
spettroscopia NIRS risolta nel tempo ricordiamo la
discriminazione tra i coefficienti di assorbimento
e diffusione e l’aumento della profondità di
penetrazione e della risoluzione spaziale rispetto alle
tecniche ottiche CW.
La strumentazione NIRS sviluppata è stata utilizzata
per studi funzionali su muscolo e cervello.
In particolare si è studiato la risposta muscolare allo
sforzo (Figura 2), l’attivazione cerebrale in risposta a
stimoli cognitivi (Figura 3) e a stimoli motori.
Attualmente si sta studiando l’impiego della tecnica
NIRS in diversi settori quali neuroscienze (ad
esempio per il mappaggio del cervello nell’uomo),
psicologia (per lo studio dell’apprendimento del
linguaggio nei bambini), medicina (per supporto a
studi di neurochirurgia). Particolarmente interessanti
sono anche gli studi nel campo della riabilitazione
quali, per esempio, monitorare il recupero delle
capacità uditive in pazienti con impianti cocleari, o la
funzionalità di protesi agli arti, fino ad applicazioni
quali interfaccia uomo macchina.
3.
Posizionamento degli optodi
per la prova di fluenza verbale
(Quaresima et al. J. Biomed. Opt.
101), 011012 2005)
Placement of optodes
scattering coefficient (related to tissue structures), a
higher penetration depth and spatial resolution as
compared to continuous-wave NIRS .
The developed instruments have been effectively
used for monitoring the muscle response to fatigue
(Figure 2), the cerebral activation during cognitive
(Figure 3) and motor tasks.
Currently we are working on the use of NIRS
in neuroscience (e.g. for human brain mapping
studies), in psychology (language acquisition in
infants, recovery after stroke i.e. brain plasticity
studies, etc.), in medicine (e.g. as a support
to neurosurgery). Moreover, study involving
rehabilitation issues are very interesting: possible
applications are monitoring the recovery of auditory
ability in patients with cochlear implant, monitoring
the functionality of prosthesis, and experimenting
brain machine interfaces based on NIRS.
129
Analizzare & cen
Analysing & asse
nsire
essing
132. Integrazione dei disabili nel mondo del lavoro
The integration of disabled people in the business
world
134.Analisi e valutazione dei sistemi locali di
assistenza per la non autosufficienza e indicazioni
per le iniziative della Fondazione Cariplo
Evaluation and analysis of local welfare systems
for dependent people in Lombardy - Fondazione
Cariplo
136. Terza indagine sociale lombarda
Third Lombardy social survey
L’integrazione dei disabili nel mercato
del lavoro delle Province della
Lombardia
Committente: Agenzia Regionale per il Lavoro
Dipartimento di Architettura e Pianificazione
Gruppo di ricerca
Research group
Pietro Lembi
– Regione Lombardia
Anno di avvio attività
Beginning of activity
The integration of disabled people in
the labour market in the Lombardia
provinces
Cooperazioni nazionali e internazionali
National and international collaboration
Research requested by the Agenzia regionale per
il Lavoro - Regione Lombardia
2003
HB Group Studio Associato, Milano
Sito web
Website
http://www.borsalavorolombardia.net/portal/page?_
pageid=67,69816&_dad=portal&_schema=PORTAL
&type=approfondimento&id=762&list=/redazione/
Lavoro/SchedeTematiche/DisabiliELavoro_LL.jsp
http://www.disabilielavorolombardia.it/pdf/pres_
ricerca_accessibilita.pdf
http://www.famiglia.regione.lombardia.it/dis/dis_
doc/pres_lib.pdf
Il progetto di ricerca “L’integrazione dei disabili nel
mercato del lavoro delle Province della Lombardia”,
cofinanziato dalla Direzione Generale Formazione,
Istruzione e Lavoro della Regione Lombardia e dalla
Fondazione Cariplo, è stato promosso e coordinato
dall’Agenzia Regionale per il Lavoro.
La fase II del progetto di ricerca – realizzata da
HBgroup – si poneva l’obiettivo di sviluppare azioni
positive e integrate per l’inserimento lavorativo delle
persone con disabilità all’interno del mondo del
132
The research project “The integration of disabled
people in the labour market in the Lombardia
provinces” is jointly financed by the Lombardia
Region Training, Education and Work General
Management and by the Fondazione Cariplo. It has
been promoted and coordinated by the Agenzia
Regionale per il Lavoro (Work Regional Agency).
The second stage of the research project - carried
out by Hbgroup - had the aim of developing positive
and integrated actions to create employment
opportunities for people with disabilities within the
lavoro.
Tale obiettivo si è concretizzato:
- nella definizione della metodologia di approccio al
progetto, basata sull’ICF (International Classification
of Functioning, Disability and Health dell’OMS) e
sulla progettazione di matrice inclusiva
- nella ricognizione critica dello stato dell’arte delle
modalità di intervento di inserimento delle persone
con disabilità nel mondo del lavoro, con particolare
riferimento alla realtà italiana e nordamericana
- nella definizione di linee-guida per la creazione
di ambienti di lavoro accessibili e idonei alle diverse
caratteristiche degli utenti con disabilità – anche in
rapporto ai temi dell’accoglienza della persona in
azienda.
L’apporto dell’arch. Pietro Lembi (Dipartimento
Architettura e Pianificazione) allo sviluppo della fase
II si è concretizzato nei seguenti aspetti:
- partecipazione alle attività di impostazione della
ricerca
- individuazione e ricostruzione di casi studio
lombardi esemplificativi di buone pratiche di
inserimento lavorativo
- indicazioni analitiche e metaprogettuali sugli
aspetti percettivi e psico-relazionali.
I risultati della fase II della ricerca sono stati
pubblicati nel libro “L’accessibilità degli ambienti
di lavoro. Aspetti progettuali e psico-relazionali
dell’inserimento lavorativo di uomini e donne
con disabilità”, a cura di Paola Bucciarelli, con i
contributi di Gianni Arduini, Pietro Lembi e Silvia
Volpi. Il volume, edito da Guerini e Associati, è
parzialmente consultabile on-line (vedi siti indicati).
business world.
This aim was reached:
□- in the definition of the approach methodology
to the project, based on the ICF (International
Classification of Functioning, Disability and Health
of the WHO) and on the architectural planning with
an approach focusing on inclusion
- in the critical investigation of the stage of the
ways of intervention to create better employment
opportunities for disabled people within the working
world, particularly focusing on the North American
and Italian realities
- in the definition of the guidelines for the creation
of work environments with easy access and adapting
to the different features of users with disabilities
- even in relation to the subject of welcoming people
to the company.
The architect Pietro Lembi (Architecture and
Planning Department) contributed to the
development of the second stage in the following
aspects:
- participation in the mapping out activities of the
research
- individuation and reconstruction of cases of study
in Lombardia, which provide a good example of
ways of introduction into the working world
- analytical indications about perceptive and psychorelational aspects.
The second stage results have been published in
the book “L’accessibilità degli ambienti di lavoro.
Aspetti progettuali e psico-relazionali dell’inserimento
lavorativo di uomini e donne con disabilità”(“Work
environments accessibility. Planning and psychorelational aspects of employment opportunities of
disabled men and women in the working world”),
by Paola Bucciarelli, with contributions from Gianni
Arduini, Pietro Lembi and Silvia Volpi. The volume,
published by Guerini e Associati, can be partially
consulted online (check the shown websites).
133
Dipartimento di Architettura e Pianificazione
Analisi e valutazione dei sistemi locali
di assistenza per la non autosufficienza
e indicazioni per le iniziative della
Fondazione Cariplo
Gruppo di ricerca
Research group
Evaluation and analysis of local welfare
systems for dependent people in
Lombardy - Fondazione Cariplo
Anno di avvio attività
Beginning of activity
Costanzo Ranci
Giuliana Costa
Laura di Maria
Stefania Cerea
2003
Cooperazioni nazionali e internazionali
National and international collaboration
Università degli Studi di Brescia - Dipartimento di
Diritto del Lavoro
Università degli Studi di Milano - Dipartimento di
Sanità Pubblica
Il tema della non autosufficienza in età anziana
o legata alla condizione anziana è, nell’ultimo
decennio, entrato a pieno titolo nell’agenda pubblica,
assumendo i connotati di un vero e proprio
rischio sociale. Il fenomenale invecchiamento della
popolazione unito ad alcune delle più evidenti
trasformazioni socio-economiche in atto, quali
l’ingresso massiccio delle donne nel mercato del
lavoro, ha creato le condizioni affinché i bisogni
di cura legati alla non autosufficienza si ponessero
come fattore di ripensamento degli attuali assetti
134
Dependency in the elderly, or age-related
dependency, is a subject which, in the last decade,
has been placed firmly on the public agenda, and has
taken on the characteristics of a veritable social risk.
The remarkable ageing of the population, together
with some of the most evident socio-economic
transformations under way, such as the entry of a
substantial number of women into the labour market,
has led to conditions being such that the care needs
of dependent elderly people have become a matter for
reassessment by the current welfare structures.
di welfare. La capacità di tenuta delle tradizionali
forme di fronteggiamento dei bisogni di cura,
incentrati nel nostro paese principalmente sul
forte autoaddossamento dei compiti di cura da
parte delle famiglie, appare oggi più critica rispetto
al passato e i problemi di cura, quando severi,
possono essere addirittura un fattore specifico e
distintivo di vulnerabilità sociale (Costa 2004).
L’analisi delle politiche pubbliche specificamente
rivolte alle persone anziane dipendenti e alle loro
famiglie assume, in siffatto contesto, una posizione
centrale per guidare l’operato di chi voglia, in
qualche maniera, svolgere un ruolo in grado di
generare utilità sociale in questo particolare campo
di policy. La ricerca commissionata dalla Fondazione
Cariplo al Politecnico di Milano, dal titolo “Analisi e
valutazione dei sistemi locali di assistenza per la non
autosufficienza”, si è proposta, non a caso, come un
progetto di valutazione dell’impatto che le attuali
misure socio-assistenziali e socio-sanitarie rivolte
alla popolazione degli anziani non autosufficienti
hanno sugli utenti e sulle loro famiglie, sul mercato
del lavoro cui danno vita e sui costi complessivi
da esse ingenerati, con un particolare sguardo
alla realtà della Regione Lombardia. Il tentativo,
perseguito attraverso un piano di ricerca complesso
e composito, è stato di tenere insieme più versanti
del problema e di esplorarne i nessi più critici: i
bisogni degli utenti e delle loro famiglie, lo stato
dell’arte in materia di servizi, il mercato della cura
sia per quanto riguarda il versante dell’offerta
che quello della domanda e le sue dinamiche,
i modelli regolativi, la normazione e le risorse
specificamente destinate al fronteggiamento della
non autosufficienza, le scelte degli attori pubblici
a livello nazionale, regionale e locale. Questo
lavoro, si è fondato su quattro diverse ricerche sul
campo, mettendo a fuoco gli aspetti e i nessi più
critici propri di ognuno dei versanti analizzati, ma
mantenendo uno sguardo e uno schema concettuale
unitario, vero suo punto di forza.
The traditional means of dealing with care needs,
which in Italy greatly centre on the family members
taking the load onto their own shoulders, have been
stretched to a critical level, more so than ever before.
When care problems reach severe proportions, they
may even come to represent a specific and distinctive
social vulnerability factor (Costa 2004).
In such a context, the analysis of public policies
aimed specifically at dependent elderly people
and their families assumes a central position in
informing the conduct of those willing to carry
out a role of social utility in this particular area of
policy. The research project commissioned by the
Cariplo Foundation at the Polytechnic University
of Milan entitled “Evaluation and Analysis of
Local Welfare Systems for Dependent People in
Lombardy” is designed ad hoc to assess the impact
that current social care and health measures for
elderly dependent people have on the users and their
families, on the job market they create, and on the
costs they generate, with particular emphasis on the
Lombardy Region.
This complex and composite research project, has
endeavoured to draw together several aspects of the
problem and explore its most critical relationships:
the needs of the users and their families, the state
of the art in terms of services, the care market both
in terms of the supply side and the demand side
and their associated dynamics, regulative models,
standardisation and resources specifically aimed at
dealing with dependency, and the choice of public
actors at national, regional and local levels.
The work is based on four different aspects of
research in the field, and brings into focus the
most critical issues and relationships of each aspect
investigated. However, at the same time, an overall
unifying concept is never lost sight of, and herein lies
its strength.
135
Terza Indagine sociale lombarda
Dipartimento di Architettura e Pianificazione
Committente: IReR - Istituto regionale di Ricerca
Gruppo di ricerca
Research group
Third Lombardy social survey
Anno di avvio attività
Beginning of activity
Costanzo Ranci
Giuliana Costa
2001
Sito web
Website
http://www.lps.polimi.it
La ricerca costituisce l’ultima fase della Indagine
sociale lombarda 2000. Si tratta, infatti, di un
approfondimento qualitativo di alcune ipotesi
emerse dalla survey generale sulle famiglie
lombarde, a partire dall’individuazione di alcuni
specifici segmenti di popolazione particolarmente
vulnerabile.
L’analisi è basata su un vasto corpo di interviste in
profondità rivolte a famiglie rese fragili da eventi
spiazzanti o da situazioni critiche che si manifestano
a partire da diversi sistemi di risorse (occupazionali
136
This research is the last phase of the Lombardy
social survey 2000. Based on qualitative methods, it
focuses the attention of some segments of population
particularly exposed to social risks according to the
previous findings using the concept of vulnerability.
Three of them are families under strain because of
care problems. Connections between needs of care
and social vulnerability phenomena (a concept still
in progress since Robert Castel’s 1995 theorization)
are here dealt with from the specific point of view of
caregivers. The adoption of this perspective does not
e reddituali, abitative, di cura). La ricerca ha inteso
precisare circostanze e meccanismi che espongono
alla vulnerabilità, definendone la portata e il diverso
peso che queste possono assumere a seconda della
percezione e della definizione dei soggetti.
Il percorso di ricerca ha senz’altro contribuito a
precisare e ad irrobustire il frame concettuale della
vulnerabilità sociale, testandone, nello stesso tempo,
le potenzialità per la ricerca empirica.
Tra i segmenti di popolazione studiati tre sono
afferenti a quella che è stata chiamata area risorse di
cura, area che raggruppa le situazioni in cui le risorse
ad essere messe particolarmente sotto sforzo sono
quelle di cura, appunto: famiglie con adulti portatori
di handicap dalla nascita, famiglie con un anziano
non autosufficiente a carico e famiglie in cui vive
una persona affetta da grave disagio psichico.
L’analisi entro ogni segmento di popolazione è stata
svolta attraverso la realizzazione di interviste in
profondità ai e alle primary caregiver (46 in totale)
delle persone con gravi bisogni di cura e attraverso
colloqui approfonditi con testimoni privilegiati,
dirigenti ed operatori dei servizi socio-assistenziali,
pubblici e privati (14 in totale). La scelta è
avvenuta sulla base del criterio della rilevanza e il
campionamento in questo caso è teorico poiché ad
essere rappresentativi sono i concetti, non le persone.
Gli intervistati sono stati guidati attraverso quesiti
nella ricostruzione -seppur sommaria- delle carriere
fondamentali (familiare, lavorativa, amicale,
formativa e biologica), nell’individuazione degli
eventi scatenanti (con il loro peso relativo), nella
descrizione degli effetti di tracimazione del problema
di cura nelle diverse sotto-carriere e delle risposte
di fronteggiamento attivate. Le domande sono state
poste però in forma flessibile e nel modo meno
invasivo possibile.
mean to underestimate the experience of the people
needing care or living with a disability. Casting a beam
of light on events and subjects so far rather neglected
by social research, we merely suggest to watch beyond
the fence observing those people whose life is strongly
associated with that of a dependent adult or elderly
person, their lifestyle, their deep reasons, their
organised answers to cope with a severe need of care
and the bottlenecks found on the way. The working
hypothesis is that coping demanding needs of care is,
in contemporary societies and increasingly more in
the future, a specific factor of social vulnerability for
individuals and their families.
Empirical evidence was drawn from fieldwork
conducted in Lombardy (Italy) from July 2001. In
this context three groups of people whose resources
of care are particularly subject to strain have been
studied: families cohabiting with an adult son affected
by physical or psycho-physical handicap from birth,
families caring a non self-sufficient elderly person and
families living with a son or a daughter affected by a
severe psychic disorder, mostly psychosis. Not only are
these issues that come into sight at different stages of
life but are essentially and deeply dissimilar. While a
parent’s loss of autonomy may be the result of slight
slips (but also of traumatic events), the birth of a
handicapped child or the breaking out of a psychotic
crisis is a turning point, an unexpected event that in
most cases it is impossible to be prepared for.
To explore the research questions mentioned before,
we carried out 46 in depth interviews to primary
family caregivers. Have been also interviewed 20
observers working in services, advocacy or in the
family organizations field. Qualitative research tools,
designed to support the comprehension of events,
behaviours and attitudes have been used. Thanks to
interviews a beam of light could be cast on complex
elements like caring context, relationships and
personal strategies.
The interviews to caregivers have been conducted
following a scheme designed to guide the interviewer
and the interviewee in reconstructing, although
briefly, some careers (family, jobs, friends, education
and biography), in identifying the triggering events
(with their relative weight) and the spill-over effects of
care problems. Questions have been asked in an open
form and in the least possible invasive manner.
137
Multi Chance Po
Servizi per studenti in situazione di disabilità al Politecnico di Milano
Services for students in a situation of disability at the Politecnico di Milano
Il Politecnico di Milano,
per affermare il diritto di
ogni persona allo studio
e alla formazione della
propria professionalità,
per realizzare una
effettiva partecipazione e
un’adeguata autonomia
nell’itinerario universitario
della persona con disabilità
congenita o acquisita di
diversa natura, ha istituito un
apposito servizio per fornire
opportunità strutturate e
diversificate.
Per meglio corrispondere
alle esigenze e ai bisogni
degli studenti, si è costituito
il Multi Chance Poli
Team, un gruppo di lavoro
caratterizzato da diverse
professionalità in grado di
offrire supporti personalizzati
e predisporre programmi
di intervento opportuni e
adeguati alle aspettative
formative.
Nello specifico, il Multi
Chance Poli Team realizza i
seguenti servizi:
Consulenza psicopedagogica.
Lo studente viene
accompagnato nel suo
percorso universitario
con colloqui individuali di
orientamento e confronto,
per accoglierne le esigenze,
affrontarne le necessità,
progettare le soluzioni
più adeguate, agevolando
così l’integrazione con
l’ambiente e la fruizione
della complessiva offerta
formativa dell’Ateneo.
138
Il Multi Chance Poli
Team gestisce una
rete di comunicazioni e
informazioni con i Docenti
Referenti di Facoltà, con i
Docenti dei diversi Corsi
di Studio e con le altre
Istituzioni universitarie, per
ottimizzare la realizzazione
degli interventi progettati
con criteri di efficacia ed
efficienza.
Intermediazione con il
mondo del lavoro.
Sia per gli stage, sia per
l’inserimento lavorativo
vero e proprio gli studenti
e i neolaureati vengono
accompagnati in tutte le
fasi di ricerca, valutazione,
colloquio ed indagine
informativa sulle opportunità
lavorative e sull’idoneità
dell’ambiente di lavoro.
Supporto informatico. Per
l’individuazione e l’utilizzo
in modo personalizzato di
tecnologia avanzata e di
dispositivi innovativi che
consentano la migliore
fruizione dei programmi di
studio.
Sostegno alla frequenza
universitaria
La partecipazione,
non solo a distanza,
alla vita dell’Ateneo, è
ritenuta caratterizzante
e fondamentale per una
completa formazione in tutte
le sue dimensioni.
Prova di ammissione. Gli
studenti possono sostenere
la prova di ammissione
on-line o in un’aula
appositamente riservata e
fruire degli eventuali supporti
tecnologici necessari.
Tutorato. Lo studente può
usufruire di specifici servizi
di:
- Tutorato generico: è svolto
da studenti degli ultimi anni,
appositamente selezionati
e formati, che effettuano
attività di supporto didattico,
in base alle esigenze
specifiche dello studente,
come l’accompagnamento
e l’affiancamento a lezione,
il recupero degli appunti, la
registrazione e la riscrittura
della lezione, l’aiuto per lo
studio o durante le lezioni in
teledidattica
- Tutorato specializzato:
è svolto da una persona di
fiducia scelta dal docente ed
esperta, che viene affiancata
per un periodo determinato
agli studenti che incontrano
difficoltà particolari in alcune
materie.
Esami personalizzati. Su
richiesta e previo accordo
con i docenti, lo studente
può affrontare le prove di
esame (anche di lingua
inglese) con l’ausilio di
specifici supporti tecnologici
o svolgere prove equipollenti
secondo le modalità più
consone al tipo di disabilità.
Accompagnamento. Per
gli spostamenti interni
alla sede universitaria
e di collegamento con i
mezzi pubblici più vicini,
è istituito un servizio di
accompagnamento.
Accessibilità dell’Ateneo.
L’Ateneo è da tempo
impegnato nella progressiva
eliminazione delle barriere
architettoniche e nella
progettazione conforme
delle nuove realizzazioni
edilizie e contestuali. Il
Piano Eliminazione Barriere
Architettoniche di Ateneo,
conferma l’obiettivo
strategico di costruire un
Ateneo ad accessibilità
totale e scandisce
le fasi di progressivo
approfondimento del
lavoro di analisi che si
sta compiendo su tutto il
patrimonio immobiliare e che
porterà alla pubblicazione
on-line di uno strumento
interattivo di verifica
dell’accessibilità di ogni
spazio dell’Ateneo.
Ausili didattici.
È possibile predisporre
condizioni idonee di
fruizione delle lezioni, delle
esercitazioni e dei laboratori,
con l’uso di sussidi
personalizzati e innovativi di
tipo tecnologico.
Ausili tecnologici. Vengono
acquistati e affidati agli
studenti PC e altre soluzioni
hardware o software
finalizzate alla didattica
collettiva o personale.
oli Team
The Politecnico di Milano,
in keeping with the right
of every individual to
pursue their studies and
professional education
and training, and the
right of every individual
with a congenital or
acquired disability to
participate effectively and
with proper autonomy in
the programmes of the
university, has established
a service to offer a range of
organised opportunities.
In order to more effectively
respond to student needs,
a Multi Chance Poli Team
has been formed. This is a
working group comprising
members with different
areas of expertise who can
offer personalised support
and arrange programmes
directed towards appropriate
educational and training
needs.
Specifically, the Multi
Chance Poli Team offers the
following services:
Psychoeducational
counselling. Students
are guided throughout
their studies by means of
orientation and personal
interviews designed to
understand needs and
requirements, and to plan
the best solutions, thereby
facilitating their integration
with the environment and
their use of the full range of
educational services offered
by the Politecnico.
The Multi Chance Poli Team
runs a communication
and information network
together with the faculty
reference professors,
professors from the various
study courses and with
other university institutions,
thereby optimising the
services which have been
designed utilising criteria of
efficacy and efficiency.
Intermediation with the
work environment. Both for
work placement periods and
for insertion into the work
environment, students and
the newly-graduated are
followed through all phases
of research, assessment,
interview and informationgathering regarding job
opportunities and job
suitability.
Technical support and
expertise to identify and
use advanced technology
and innovative equipment
that enable the student to
make the most of the study
programmes offered.
University attendance
support
Participation, not just from
a distance, in the life of
the Polytechnic University
of Milan, is considered
fundamental for an all-round
education.
Admission test. Students
may sit the admission test
either online or in a specially
reserved classroom and may
make use any necessary
technological support.
Tutorship. Students may
utilise the specific services
of:
- General tutorship: this
is carried out by final-year
students, specially selected
and trained, who offer
educational support, on
the basis of the student’s
specific needs, such as
lesson accompaniment and
support, revision of notes,
recording and re-writing of
lectures and help with study
or during distance learning.
- Specialised tutorship: this
is carried out by a reliable
person with expertise,
personally chosen by the
Lecturer and who works
for a period alongside
those students who are
experiencing particular
difficulties in certain
subjects.
Personalised examinations.
On request and by prior
arrangement with the
lecturers the student may
sit examinations (including
English) with specific
technological support, or
may undertake equivalent
tests in the manner most
suited to the type of
disability.
Accompaniment. for
transportation within the
site and connections with
the nearest public transport
services an accompaniment
service has been set up.
Accessibility to the
Politecnico. The Politecnico
has for some time been
active in the progressive
elimination of architectural
barriers and in ensuring that
planning is in accordance
with regulations for new
buildings and their contexts.
The “Plan to Eliminate
Architectural Barriers in
the Politecnico di Milano”
confirms the strategic
objective of building a
fully accessible university
and covers the phases of
progressive in-depth analysis
being conducted over the
entire university estate. An
interactive verification tool
to assess the accessibility of
every area of the university
will be published online as a
result of this work
Teaching aids. It is possible
to arrange conditions
specially suited to maximise
the benefit of classroom and
laboratory work by means of
personalised and innovative
technological teaching aids.
Technological aids. Personal
computers and other
hardware or software
solutions designed to meet
the needs of group or
personal teaching will be
purchased for use by the
students.
139
Teledidattica. In caso di
effettiva impossibilità alla
partecipazione alla vita
dell’Ateneo, è possibile
fornire un servizio di
Teledidattica che permette di:
- seguire le lezioni da casa
o da una delle sedi del
Politecnico in tempo reale;
- essere seguiti dal docente
e dai tutor;
- ricevere il materiale
eventualmente distribuito in
aula.
Il servizio è erogato
grazie alla presenza di
aule attrezzate per la
teledidattica e, in alternativa,
attraverso l’uso dello
“zaino multimediale”, cioè
un sistema di attrezzature
che può essere facilmente
trasportato e attivato nelle
aule dove si tengono le
lezioni.
Presso il Politecnico di
Milano è anche attivo il
Corso di Studi in Ingegneria
Informatica on line (www.
laureaonline.it).
Assistenza amministrativa.
È prevista la possibilità
di fornire assistenza
nella compilazione delle
pratiche amministrative e
burocratiche.
Alloggi
Ogni anno l’ISU bandisce
un concorso per
l’assegnazione di posti
alloggio agli studenti iscritti
al Politecnico di Milano.
In fase di predisposizione
140
delle graduatorie per
l’ammissione al servizio
abitativo riconosce una
priorità agli studenti in
situazione di disabilità.
Agevolazioni economiche
Esonero tasse. Gli studenti
con accertamento di
disabilità hanno diritto
all’esonero dalla tassa
di iscrizione e contributi
universitari, dietro
presentazione di domanda
entro il termine di scadenza
previsto per l’iscrizione
all’anno accademico.
Borse di studio. Ogni anno
l’Istituto per il Diritto allo
Studio Universitario (ISU)
bandisce un concorso
per borse di studio. Gli
studenti con accertamento
di disabilità, in possesso
dei requisiti di merito
e di reddito previsti dal
bando, hanno diritto
all’assegnazione anche in
eccedenza al numero di
borse messe a concorso.
Inoltre hanno diritto ad una
maggiorazione della borsa
di studio che può essere
tramutata in dotazione di
attrezzature specialistiche,
materiale didattico o altri
strumenti idonei a superare
difficoltà individuali.
Altre opportunità
formative
Mobilità Internazionale.
Nell’ambito dei programmi
di mobilità internazionale
attivati dal Politecnico di
Milano, gli allievi disabili
possono programmare, in
accordo con le esigenze
dei singoli Corsi di Studio,
un’esperienza di studio
riconosciuta all’estero.
I programmi europei di
mobilità internazionale
(come il Programma
Socrates Erasmus) mettono
a loro disposizione fondi
aggiuntivi alle borse di
mobilità.
Delegato del Rettore per
le situazioni di disabilità
nell’Ateneo
Prof. Licia Sbattella
Dirigente dell’Area Didattica
Luciana Calvo Giliberto
Servizi Generali agli Studenti
Servizi per studenti in
situazione di disabilità
Coordinamento:
Alessandra Nozza
Paola Bravo
Servizio psico-pedagogico
Dott. Giulio Pegorari
Stage e inserimenti lavorativi
Angela Mauri
Servizio tecnologicoinformatico
Ing. Antonio Bianchi
Servizio Accessibilità di
Ateneo
Arch. Silvia Sbattella
Ulteriori informazioni si
possono trovare al sito
www.polimi.it alla voce
studenti e disabilità
L’attività del Servizio è
favorita dalla rete di
comunicazione con i Docenti
Referenti di Facoltà, di
Polo regionale e di Sede
territoriale
Alla realizzazione dei servizi
illustrati collaborano:
Strutture di Ateneo.
Area Didattica (Servizio
Studenti; Servizio Stage;
Servizio Servizi Generali agli
Studenti); Area Logistica;
Area Sistemi Informatici;
Area Tecnico Edilizia; METIDMetodi Tecnologie Innovative
per la Didattica; ISU – Istituto
per il Diritto allo Studio
Universitario del Politecnico
di Milano.
Enti pubblici:
Comuni, Provincie, Regione
Lombardia;
Organismi di coordinamento:
CNUDD (Conferenza
Nazionale Universitaria
Delegati per la Disabilità)
CALD (Coordinamento
Atenei Lombardi per la
Disabilità)
Distance learning. Where it
is not possible for a student
to participate in the life of
the Politecnico, a distance
learning facility is provided
to enable the student to:
- follow lessons from
home or from one of the
Politecnico sites in real time;
- be followed by the
lecturer or tutor;
- receive any classroomdistributed material.
The service is available
via classrooms specially
equipped for distance
learning and e-learning.
Alternatively a “multimedia
backpack” can be used. This
portable equipment may be
easily carried and used in
the classroom.
An online course has
also been launched at
the Politecnico: Online
Study Course in Computer
Engineering www.
laureaonline.it
Administrative assistance.
Assistance is provided
in completing the
administrative paperwork
and procedures.
Accommodation
Every year the ISU (Institute
for the Right to University
Study) announces a public
competition for student
accommodation places at
the Polytechnic University
of Milan. Students with
a disability will be given
priority.
Financial assistance.
Exemption from fees.
Students with a disability
have the right to exemption
from university enrolment
fees and contributions,
on presentation of their
application before the
enrolment deadline for the
academic year.
the requirements of each
Course of Study, a period
of recognised study abroad.
European international
mobility programmes (such
as the Socrates Erasmus
Programme) have additional
funds at their disposal for
mobility grants.
is supported by the
communications network
with the Faculty Reference
Professors, by the Regional
Headquarters and the
National Headquarters.
The following have
contributed to making the
above services possible:
Study grants. Every year
the ISU (Institute for
the Right to University
Study) announces a public
competition for study
grants. Those students with
a disability, provided that
they meet the necessary
requirements stated in the
public announcement, will
have the right to be awarded
a study grant even if the
number of study grants in
the competition has been
exceeded.
Furthermore, such students
will be entitled to an
increase in the study grant
which can be used to fund
any special equipment,
learning materials or
educational tools deemed
essential to overcome
particular difficulties.
Rector’s Delegate for
disability in the Politecnico
Prof. Licia Sbattella
Politecnico di Milano
Organisation:
Teaching Area (Students
Service; Placements
Service; General Student
Services); Logistics Area;
Information Systems Area;
Technical and Building
Area: METID (Methods and
Technologies for Innovation
in Didactics); ISU Polytechnic
University of Milan Institute
for the Right to University
Study.
Further educational
opportunities
International mobility. As part
of the international mobility
programme established at
the Politecnico di Milano,
students with disabilities can
arrange, in accordance with
Students Area Manager
Luciana Calvo Giliberto
General student services
Services for disabled
students
Coordination:
Alessandra Nozza
Paola Bravo
Psycho-educational Service
Dott. Giulio Pegorari
Work placements
Angela Mauri
Technology and informatics
Service
Ing. Antonio Bianchi
Politecnico Accessibility
Service
Arch. Silvia Sbattella
Public Bodies
Comune, Province, Regione
Lombardia
Coordinating Organisations
CNUDD (National
Conference of the Delegates
(of Rectors) for Disabilities)
CALD (Coordination of
Lombardy Universities for
Disabilities)
Further information is
available at www.polimi.it
under the heading students
and disability.
The activity of the Service
141
A cura di/By
Area Sistema Bibliotecario d’Ateneo
Piazza Leonardo da Vinci, 32 – 20133 Milano
tel. 02 2399 2232 – fax 02 2399 2294
e-mail: [email protected]
sito web/website: rivistapolitecnico.polimi.it
Traduzioni e revisioni/Translations and revisions
Sono stati tradotti a cura di William Russell-Edu i testi alle pagine/The
following pages were translated from the original Italian by William
Russell-Edu:
Pagg. : 5, 6-9, 13-14, 16-19, 30-35, 74-79, 134-135, 139, 141.
L’immagine di pag. 7 è stata gentilmente concessa da/The figure on
page 7 was kindly authorised by: Zentrum Paul Klee, Bern
Titolo/Title:
Zerstörtes Labyrinth, 1939, 346
Labirinto distrutto/Destroyed Labyrinth
Olio e acquarello su carta e juta/Oil and watercolour on paper and
jute.
54 x 70 cm
© Paul Klee, by S.I.A.E., 2006 Roma