Robotica e Spinometria
Massimiliano Mangone
Mariangela Vanadia
Robot
Il robot è una qualsiasi macchina (di forma più o meno
antropomorfa), in grado di svolgere più o meno
indipendentemente un lavoro al posto dell'uomo.
Terapia Robotica
Ogni forma di terapia attuata grazie l’ausilio di un robot
Terapia Robotica
Interesse crescente
The most common robot rehabilitation protocols employed to date
involve one or a combination of the following:
1) the robot initiates the movement and produces an assistive force to
push the subject's arm with a predefined trajectory and speed;
2) the subject initiates the movement but the robot then produces an
assistive force;
3) the subject initiates and pushes the robot to an intended target
while the robot provide a resistive force;
4) the subject initiates and pushes the robot to an intended target; the
robot only corrects if the movement is off course or too slow.
Haptics is the science of applying touch sensation and control
for interaction with virtual or physical applications
END EFFECTOR
ESOSKELETON
Robot per l’arto superiore
MIT MANUS
Robot a 2 DOF che consente movimenti dell’arto superiore su
un piano orizzontale
Krebs HI, Hogan N, Aisen ML, Volpe BT. 1998. Robot-aided neurorehabilitation. IEEE Trans. Rehabil. Eng. 6:75–87
Robot per l’arto superiore
MIME (mirror image movement enhancer)
Robot a 6 DOF collegato ad uno splint a livello dell’avambraccio.
Molteplici orientamenti spaziali.
-Modalità passiva
-Modalità attiva assistita con facilitazione
-Modalità attiva assistita con resistenza
-Modalità bimanuale (mirror)
Burgar et al. J Rehabil Res Dev 2000
Robot per l’arto superiore
Assisted rehabilitation and measurement (ARM) guide
Assiste meccanicamente un movimento di reaching
Reinkensmeyer DJ, et al. J. Rehabil. Res. Dev. 37:653–662
Robot per l’arto superiore
Bi-Manu-Track
Robot a 2x1 DOF che consente due tipi di movimenti: prono/supinazione
dell’avambraccio e flesso/estensione di polso
Hesse et al. Arch Phys Med Rehabi 2003
Robot per l’arto superiore
NeReBot
Robot a 3 DOF che può essere anche
utilizzato a letto del paziente (fase acuta)
Rosati et al. 2006
Robot per l’arto superiore
Nudelholz mechanical arm trainer
Robot a 3 DOF che consente movimenti paramenti passivi di
flesso/estensione di gomito, addo/abduzione di spalla e
flesso/estensione di polso. Destinato a pazienti più gravi
Hesse et al. 2006
Leigh R. Hochberg et al, Nature 2012
Robot Assisted Gait Therapy
END EFFECTOR
ESOSKELETON
Robot per il cammino
LOKOMAT
Motor-driven gait orthosis secured to patient’s legs while the
patient is supported by a BWS system over a motorized
treadmill
Robot per il cammino
GAIT TRAINER
End-effector che funziona con I principio delle piattaforme
mobili ed è dotato di BSW
Robot per il cammino
G-EO system
Evoluzione del GT, che consente anche movimenti diversi
rispetto al cammino (salire le scale)
Motivation for Robotic Therapy
1. Evidence increased that the injured motor system can reorganize in
the setting of motor practice.
However, the optimal training techniques for facilitating reorganization
remained unclear, in part because of difficulties quantifying dose, type,
and consistency of rehabilitation therapy.
Robotic devices were seen as a possible way to precisely
control and measure therapy
Reinkensmeyer et al, 2004
Motivation for Robotic Therapy
2. Patients began receiving less therapy following neurologic injuries such
as stroke, even though studies suggested that more therapy was better.
Robotic devices were seen as a possible way to automate
labor-intensive training techniques, providing new tools for
therapists and improved access to therapy for patients
Reinkensmeyer et al, 2004
Motivation for Robotic Therapy
3. Neurorehabilitation is based on two basic assumptions: that motor
learning principles apply to motor recovery and that patients can learn.
Robots provide the means to quantitatively test these two
assumptions
Huang and Krakauer, 2009
The «Slacking Hypothesis»
A robotic device could potentially decrease recovery if it
encourages slacking; i.e. a decrease in motor output, effort,
energy consumption, and/or attention during training
ASSISTANCE--AS
ASSISTANCE
AS--NEEDED
Primary outcomes
The primary outcome was activities of daily living. We preferred the Barthel Index and
the Functional Independence Measure as primary outcome measures, if they were
available. However, we accepted other scales that measured activities of daily living.
Secondary outcomes
The secondary outcomes were impairments, such as motor function and muscle
strength, which were measured with the Fugl-Meyer score and the Motricity Index
Score
Cochrane Database of Systematic Reviews 2012, Issue 6. Art. No.: CD006876. DOI: 10.1002/14651858.CD006876.pub3
Durata degli studi
• Da 2/3 settimane a 12 settimane (5-6 nella maggior parte)
Trattamenti valutati
• Robot-therapy vs placebo
• Robot-therapy + riabilitazione convenzionale vs riabilitazione
convenzionale
Frequenza del trattamento
• 5 volte/settimana nella maggior parte dei trials
Intensità del trattamento
• Da 20-30’ a 90’ a seduta
Cochrane Database of Systematic Reviews 2012, Issue 6. Art. No.: CD006876. DOI: 10.1002/14651858.CD006876.pub3
Arm function
Forza muscolare
Authors’ conclusions
Authors’
Patients who receive electromechanical and robot-assisted arm
training after stroke are more likely to improve their generic
activities of daily living. Paretic arm function may also improve, but
not arm muscle strength. However, the results must be interpreted
with caution because there were variations between the trials in the
duration and amount of training, type of treatment, and in the
patient characteristics.
Cochrane Database of Systematic Reviews 2012, Issue 6. Art. No.: CD006876. DOI: 10.1002/14651858.CD006876.pub3
17 trials; 837 participants
Authors’ conclusions
Patients who receive electromechanical-assisted gait training in combination with
physiotherapy after stroke are more likely to achieve independent walking than patients
receiving gait training without these devices. However, further research should address
specific questions, for example what frequency or duration of electromechanical-assisted
gait training might be most effective and at what time after stroke. Follow-up studies are
also needed to find out how long the benefit lasts.
Mehrholz et al. Cochrane Database of Systematic Reviews 2007, Issue 4. Art. No.: CD006185.
4 trials; 222 participants
Authors’ conclusions
There is insufficient evidence from RCTs to conclude that any one locomotor training
strategy improves walking function more than another for people with SCI. Research in the
form of large RCTs is needed to address specific questions about the type of locomotor
training which might be most effective in improving walking function of people with SCI
Mehrholz J, et al. Cochrane Database of Systematic Reviews 2008, Issue 2. Art. No.: CD006676.
8 trials; 161 participants
Authors’ conclusions
There is a limited number of published papers related to TT in persons with MS, concluding
that TT, BWSTT, and RATT improve the walking speed and endurance.
However, it is not clear what type of TT is most effective. RCTs with larger but more
homogeneous populations are needed
Swinnen et al, 2012.
Spinometria Formetric
Introduzione
La radiografia rappresentata tuttoggi l' unico metodo
universalmente riconosciuto e standardizzato per la
valutazione delle deformità della colonna
Tuttavia essa presenta dei limiti:
• Bidimensionalità
• Poca accuratezza nel quantificare i parametri
• Non è dinamica
• Invasività
Storia
Tre metodi sono stati invece sviluppati fino a trovare
effettivo impiego in ambito clinico:
• Integrated Shape Imaging System (ISIS)
•Quantec Imaging System
•Rasterstereografia (Formetric)
Sistema: Formetric 3D/4D
Specifiche di Sistema:
• Videocamera CCD
• Proiettore a Bande
• Colonna
• Sistema PC
Principi di Funzionamento: Triangolazione
Principi di Funzionamento: Video Raster Stereografia
Principi di Funzionamento: Video Raster Stereografia
Dati Acquisiti: Morfologia Superficiale del Dorso
(Precisione= 0,01mm)
Dati Acquisiti: Analisi delle Curvature
• convesso
• concavo
• forma di sella
Dati ottenibili: Individuazione automatica punti di
repere
Dati Ottenibili: Rappresentazione Tridimensionale della
Colonna Vertebrale
Per poter ora ricostruire la forma della spina dorsale sulla base
dei dati relativi alla morfologia del dorso in 3D, è indispensabile
calcolare:
•Deviazione laterale delle vertebre sul
piano frontale
•Rotazione delle vertebre sul piano
trasversale
•Profilo sagittale della colonna
Dati Ottenibili: Rappresentazione Tridimensionale della
Colonna Vertebrale
Deviazione Laterale: è necessario localizzare i procesi
spinosi
Nella rasterstereografia la linea dei processi spinosi viene
pertanto determinata matematicamente mediante calcolo
della cosiddetta linea di simmetria
(Hierholzer E. Objektive Analyse der Rückenform von Skoliosepatienten, Gustav Fischer Verlag,
Stuttgart, New York, 1993)
Dati Ottenibili: Rappresentazione Tridimensionale della
Colonna Vertebrale
Rotazione vertebrale :viene equiparata alla rotazione (ρ)
della superficie dorsale in corrispondenza del processo
spinoso, ossia della linea di simmetria.
La precisione della misura è di circa
3°
Drerup B, Hierholzer E. Assessment of scoliotic deformity from back shape asymmetry using an improved
mathematical model. Clin Biomech ; 11 : 376-383, 1996
Dati Ottenibili: Rappresentazione Tridimensionale della
Colonna Vertebrale
Analisi Dinamica: Motion
Limiti della Metodica: Ipotesi
• Vertebra non deformata
• I punti anatomici fissi si calcolano dall’analisi delle
curvature
• Rotazione nel piano più profondo della spinosa
• Utilizzo di tabelle antropometriche
• Basso spessore sottocutaneo nella regione del dorso
Limiti della Metodica: Errori di Rilevazione
• 3° sul Movimento di Rotazione Vertebrale
• ± 2 mm sulla Determinazione della Posizione del
centro vertebrale
• ≤ 5mm sulla Determinazione della Posizione dei
Punti di Repere
Spinometria Vs RX
La metodica non si propone di sostituire l’esame
radiologico, che fornendo informazioni morfologiche
non può essere rimpiazzato dalla spinometria.
Vuole fornire un esame che riveli molto piu’ dell’esame
obiettivo con una riproducibilità comparabile con quella
offerta dai raggi X.
Spinometria Vs RX
• Assenza di Radiazioni :
Su indicazione di esperti specialisti, le scoliosi e le cifosi
diopatiche dei ragazzi vengono sottoposte a controllo
radiologico almeno due volte l’anno.
L’esposizione alle radiazioni che ne deriva può raggiungere
una dose superficie pari a 350 mGy/cm² per ciascuna
radiografia della colonna completa.
(Reduction of radiation exposure in full spine images in youth Bernau A, Seeger W. Z Orthop Ihre
Grenzgeb. 1996 Jul-Aug;134(4):302-4. German.)
Esposizione a radiazioni ionizzanti durante esecuzione di radiografia
completa della colonna vertebrale
Dose
97.0 cGy cmq
Angolo di Cobb
TECNICA
TRADIZIONALE
31.5 cGy cmq
TECNICA DIGITALE
5.0 cGy cmq
FLUOROSCOPIA
Non differenze
significative
Eur Spine J. 2006 Jun;15(6):752-6.
Prospective randomized comparison of radiation exposure from full spine
radiographs obtained in three different techniques.
Kluba T, Schäfer J, Hahnfeldt T, Niemeyer T.
Spinometria Vs RX
• Riduzione dell’influenza del respiro e delle naturali
oscillazioni del corpo sulla determinazione del modello
di colonna
• Soluzione: AVERAGING
L’analisi 4D permette un’analisi dinamica con la
possibilità di effettuare un’ operazione di media sui
parametri calcolati
Spinometria Vs RX
• La rappresentazione della curva della colonna, fornita
dalla spinometria, ha resa tridimensionale
• L’informazione fornita dalla radiografia è la proiezione su
un piano di un sistema che in presenza di deformità può
assumere un carattere tridimensionale
• È difficile rilevare dall’esame radiografico con precisione
la rotazione vertebrale
Letteratura
Letteratura
La digitalizzazione delle immagini è stata eseguita con il
metodo Drerup, consentendo una rappresentazione dei
dati non per segmenti ma in forma di curve sinusoidali a
modulazione di frequenza.
Si è poi proceduto alla sovrapposizione delle curve
stereografiche e di quelle radiografiche digitalizzate.
Letteratura
RX
Letteratura
Formetric
Letteratura
Letteratura
Letteratura
Letteratura
Letteratura
Letteratura
Tratto di analisi: toracico/lombare
Letteratura
Letteratura
Letteratura
Letteratura
Letteratura
Letteratura
Letteratura
Letteratura
Letteratura
Letteratura
Letteratura
Letteratura
Metodi:
Il progetto prevede il reclutamento di 40 soggetti con classi occlusali II e III che
presentino dislocazione riducibile del disco monolaterale e sintomatologia dolorosa, la
suddivisione randomizzata in 4 gruppi e la pianificazione di un’iter terapeutico
fisioterapico e/o ortodontico per 3 di questi gruppi. Verrà, quindi, effettuato monitoraggio
in itinere e valutazione al termine del trattamento.
Obiettivi:
Verificare l’efficacia e le differenze nei risultati ottenuti dai vari approcci riabilitativi
fisioterapico, ortodontico e combinato, sul miglioramento della sintomatologia e della
qualità di vita, inoltre verificare utilizzando i paramentri estrapolati dagli esami Telecranio
e Formetric eventuali relazioni tra possibili adattamenti posturali e il cambiamento della
relazione centrica occlusale
Gran parte dei pazienti presenta accentuata rispetto al normale range la Flessione
antero-posteriore (VP-DM). E ben 19 pazienti dei 22 presenta un angolo cifotico
alterato rispetto al range di normalità(47-50), con 4 pazienti addirittura al di sotto dei
30 gradi
Il nostro studio ha rilevato nei pazienti che presentano dislocazione riducibile del
disco un significativo aumento dei valori medi delle frecce lombari e cervicali, della
deviazione laterale VPDM e dell’ aumento dell’ angolo cifotico ICT- ITL.
La metodica offre la possibilità di avere:
• alta sensibilità
• follow up
• alta fruibilità
