Consiglio Nazionale delle RicercheIstituto per l’Energetica e le Interfasi – Lecco

Nuove tecnologie per ortesiSimone Pittaccio, Ph.D.

HIGH-TECH IN NEURORIABILITAZIONE INFANTILE: TRAGUARDI E SFIDEIRCCS E. Medea-Associazione La Nostra Famiglia, 24-25 Settembre 2015

Indice

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① Breve introduzione alle leghe a memoria di forma

② Applicazione 1: Terapie di riposizionamento

③ Applicazione 2: Movimentazione della caviglia

④ Conclusioni

Leghe a memoria di forma: Ni-Ti

3

Una modifica dell’ordinamento strutturale a livello atomico produce effetti macroscopici:

•Pseudoelasticità

•Memoria di forma

Twinning

Pseudoelasticità

4

Conventional metal (e.g. steel)

>0.1%

deformation

reac

ting

forc

e

slip

Pseudoelasticità

5

Conventional metal (e.g. steel) SMA (e.g. NiTi)

>0.1% 10%

deformation deformation

reac

ting

forc

e

reac

ting

forc

e

pseudoelasticity

slip

Memoria di forma

6

pseudoplastic deformationand constrained shape recovery

pseudoplastic deformationand free shape recovery

heating heating

reco

very

forc

e

Applications in Upper Motorneuron syndromes

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Molle di richiamo

Ortesi dinamiche con proprietà nonlineari

Terapie di riposizionamento in UMS

8

Applications in Upper Motorneuron syndromes

9

Repositioning therapy in Upper Motorneuron syndromes

10

Repositioning therapy in Upper Motorneuron syndromes

11

Regolabilità della risposta meccanica

1212

13

Relazione tra proprietà meccaniche e requisiti clinici

13

Ortesi pseudoelastiche per il riposizionamento

1414

Cross-over trials: pseudoelastic vs. angolo fisso

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T P

Paziente selezionato: evoluzione della rigidezza articolare

16

Risultati statistici

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Le ortesi pseudoelastiche salvaguardiano le proprietà iscoelasticheriducendo la rigidità articolare.

Aspects of rehabilitation

Rehabilitation

Segmental/joint rehabilitation

Functional/occupationalrecovery

Quality of life

18

Rehabilitation

Segmental/joint rehabilitation

Functional/occupationalrecovery

Quality of life

Aspects of rehabilitation

19

Rehabilitation

Segmental/joint rehabilitation

Functional/occupationalrecovery

Quality of life

Pain

Quality of sleep

Comfort of posture

Aspects of rehabilitation

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Aspects of rehabilitation

Rehabilitation

Segmental/joint rehabilitation

Functional/occupationalrecovery

Quality of life

Dynamic orthotic rehabilitation

????

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Sensorizzazione dell’ortesi

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ADC

Bluetooth

Accelerometro triassiale

Elettrogoniometro Snodo pseudoelastico

Simultaneo trattamento e monitoraggio

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Accelerations: X (red), Y (blue), Z (green).

Lorenzo Garavaglia, et al.

“Therapy monitoring and biofeedback during upper-limb rehabilitation with a new sensorised orthosis”

Ore 16.45

Studio su pazienti adulti cronici post-ictus

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6 pazienti emiplegici (esiti ictus)Età: 56.8±7.2 anniDistanza dal trauma: 3.8±1.7 anni

Durata trattamento: 1 mese Prescrizione: >6 ore/giorno

Clinical results (1)

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Clinical results (2)

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Applicazioni nel trattamento di UML

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Attuatori a memoria di forma

Mobilizzatore per la caviglia

Push-pull cartridge actuator

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Inextensible thread

Coilings of SMA wire

Electric connections

Aluminium frame

Linear guide and carriage

Plastic double-groove pulleys

Passive ankle mobilisation for bed-ridden patients

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Portable ankle mobiliser for ankle mobilisation in the acute phase

Moving foot plate

Bed-ridden patients

Leg rest allowing for knee flexion

Preliminary MEG studies on healthy volunteers

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in collaboration with

11 normal volunteers (5 males, aged 24 ± 4 years)

MEG165 channels

S Pittaccio, et al. Primary sensory and motor cortex activities during voluntary and passive ankle mobilisation by the SHADE orthosis, Human Brain Mapping, 2011, 32:60–70

S Pittaccio, et al. Passive ankle dorsiflexion by an automated device and the reactivity of the motor cortical network., Proceedings 35th IEEE-EMBC, 2013, Osaka, pp. 6353-6356

Statistical results with MEG 165 channels on healthy

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Results thresholded for p<0.05 (corrected for multiple comparisons)

Statistical results with MEG 165 channels on healthy

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BET

A B

AND

ALPH

A B

AND

Event Related Desynchronization (ERD) was evaluated in alpha (8-13 Hz) and beta (15-25 Hz) bands in the period following the onset of PM and AIC.

Similar patterns of band power modulation in alpha and beta band were found for VM and O-PM in the contralateral primary sensory and motor areas.

A greater ERD in beta band was found during VM compared to O-PM in supplementary motor area and bilateral premotor areas.

PM ERD in alpha band was greater in bilateral secondary somatosensory areas than for VM, probably resulting from an increased sensory integration during PM.

Case studies on paediatric patients with UML

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in collaboration with VALUTAZIONE TECNICA

Schema Test di movimentazioneTest di sicurezza

Protocollo Test del protocollo qEEG e NIRS su sani

STUDIO PRE-CLINICO

Schema Open label

Protocollo Valutazione T0 Esame articolareqEEG (paz. Pediatrici)

Trattamento 30 min 2 i.d. – a letto20 sessioni

Valutazione T1 Esame articolare

qEEG (paz. Pediatrici)

The graph shows the timecourse of the ankle joint angle during mobilisation by the ToeUp! device; the time is segmented into REST (R) and MOVEMENT (M) intervals, used for the ERD/ERS calculations.

Pre-post clinical results

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Pre-post clinical results

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Pediatrici post-traumatici (dettaglio questionario)

DOMANDA 1: Con quanta DIFFICOLTA’ suo figlio ha eseguito le sedute riabilitative con ToeUp?

Mio figlio non ha potuto utilizzare il dispositivo, ed il trattamento è stato interrotto perché non idoneo alla condizione di mio figlio.Estrema difficoltà, che ha ripetutamente impedito l’utilizzo del dispositivo durante le sedute riabilitative.Molta difficoltà, che talvolta ha complicato, o occasionalmente impedito il corretto utilizzo del dispositivoQualche difficoltà, che tuttavia non ha impedito il corretto utilizzo del dispositivo durante tutto il trattamento.Nessuna difficoltà. Mio figlio ha potuto eseguire correttamente tutte le sedute riabilitative programmate,

in quanto il dispositivo riabilitativo era del tutto idoneo alla condizione di mio figlio.

DOMANDA 2: Le difficoltà incontrate durante l’utilizzo del dispositivo si sono verificate principalmente:

Durante tutte le sedute(Soprattutto) nella parte iniziale del trattamento(Soprattutto) nella parte finale del trattamentoUnicamente nelle primissime sedute di trattamentoNon si sono verificate difficoltà

DOMANDA 3: Dopo aver osservato suo figlio mentre eseguiva riabilitazione con Toe-Up!, come giudica il COMFORT, cioè il grado di comodità del dispositivo?

Il dispositivo è inutilizzabile perché troppo scomodoIl dispositivo è molto poco confortevoleIl dispositivo è poco confortevoleIl dispositivo è confortevole e ben tolleratoIl dispositivo è talmente confortevole da costituire un incentivo alla riabilitazione per mio figlio.

1 preferenza4 preferenze

4 preferenze

1 preferenza

3 preferenze2 preferenze

Risultati EEG preliminari

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The graphs show the PSD spectra of channelCPz for the same patient of the ERD/ERSmaps (left). After the treatment powerincreases overall and particularly in the αband.

L. Garavaglia, et al. Pilot Study of the Cortical Correlates and Clinical Effects of Passive Ankle Mobilisation in Children with Upper Motorneuron Lesions, Proceedings 37th IEEE-EMBC, 2015, Milan

Conclusions

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Shape memory alloys, thanks to their nonlinear and adjustablemechanical and functional characteristics are a resource in designing devices for a number of applications in neuromuscularrehabilitation.

These range from passive mobilisation devicesto repositioning orthoses,and wearable devices for movementstabilisation and conditioning.

The Institute for Energetics and Interphases at Lecco

38Thanks! s.pittaccio@ieni.cnr.it

Thanks to

Lorenzo GaravagliaFabio Lazzari

Amagnetic actuators

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International patentWO/2011/141183

S Viscuso, S Pittaccio, Design and implementation of a portable amagnetic shape memory rotary actuator, 2012, Journal of Intelligent Materials Systems and Structures, 24:454-72

Evolution: EMG control for active/assistive mode of use

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TraditionalAFO

Pseudoelastic orthosis

Orthoses for walking

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Orthosis sensorisarion

3-axis analogaccelometerADXL 335+-3g

ArduinoFIO v3AVR32U416MHz3.3V

BluetoothUnitRowingRN-42

Lipo battery3.7V2200mAhSingle cell (1s)rechargeable

ON-OFFswitch

3D printed orthoses

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Morphing from anatomical data

Imagesegmentation

Acquisition of anatomicaldataset

3D printed orthoses

46

Morphing from anatomical data

3D printed orthoses

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From anatomical design to 3D printing

3D printed orthoses

Advantages of morphing and 3D printing

• Perfect matching of skin interface minimised contact pressures

• Perfect localisation of anatomical elbow axis best allignment of hinges

minimised sliding and friction

• Perfect parallel allignment of hinges optimal mechanical function

• Integration of electronic system minimised volume

improved comfort