ITMC20000099A1

ITMC20000099A1 - Protesi d'arto superiore azionata tramite un sensore che utilizza la spettroscopia nel vicino infrarosso

Info

Publication number: ITMC20000099A1
Application number: IT2000MC000099A
Authority: IT
Inventors: Gennaro Verni; Daniela Zambarbieri
Original assignee: Inail Ct Sperimentaz E Applic
Priority date: 2000-12-04
Filing date: 2000-12-04
Publication date: 2002-06-04
Also published as: WO2002045621A2; AU2002222548A1; IT1316110B1; WO2002045621A3

Description

DESCRIZIONE

a corredo di una domanda di brevetto per invenzione industriale avente per titolo:

“PROTESI D’ARTO SUPERIORE AZIONATA TRAMITE UN SENSORE CHE UTILIZZA LA SPETTROSCOPIA NEL VICINO INFRAROSSO”.

TESTO DELLA DESCRIZIONE

La presente domanda di brevetto per invenzione industriale ha per oggetto una protesi d’arto superiore azionata tramite sensori che utilizzano la teoria della spettroscopia nel vicino infrarosso.

Come è noto, esistono già da tempo protesi mioelettriche d’arto superiore; l’azionamento di tali protesi è determinato per mezzo dell’elettromiografia di superficie, vale a dire utilizzando potenziali elettrici rilevati sulla cute al livello dei muscoli del moncone cui è applicata la protesi medesima, nel momento in cui gli stessi siano coinvolti nella contrazione.

Più precisamente i segnali generati dall’anzidetta muscolatura vengono rilevati da particolari elettrodi siti nell’invasatura della protesi a diretto contatto con la cute del paziente.

Le modalità di azionamento di una simile protesi possono essere di due tipi: sulla base di un sistema ON/OFF e sulla base di un sistema multicanale.

Il sistema ON/OFF permette di comandare un solo movimento per volta con la contrazione di un unico muscolo; mentre, con il sistema multicanale, il segnale generato dalla muscolatura del paziente può comandare diversi movimenti della protesi, in base all’ampiezza del segnale stesso.

In questi tipi di protesi il componente di elezione è certamente la mano mioelettrica, una mano, cioè, dotata di un micromotore comandato elettricamente proprio sulla base del potenziale rilevato in corrispondenza della cute del moncone al quale la protesi medesima è applicata.

Questo potenziale ha un valore efficace quando varia da qualche decimo di mV a 2mV; un simile segnale viene reso idoneo a comandare l’anzidetto micromotore a seguito di un’amplificazione di un fattore IO4, capace di fargli raggiungere una dinamica di 0-3.5 V.

In pratica l’anzidetto micromotore viene azionato da un circuito di potenza con struttura di ponte ad H, con 5 pin nella parte superiore e 2 pin nella parte laterale; lo schema elettrico di tale circuito comprende due integrati che costituiscono il vero attuatore del micromotore anzidetto.

Per quel che concerne invece lo stadio d’ingresso, sono previsti due diodi 1N4148 che creano una soglia che, una volta superata, attiva l’ingresso relativo (EMG1 o EMG2).

Compatibilmente con il muscolo attivato, un segnale elettromiografico giungerà ad uno o all’altro dei due detti ingressi (EMG1 o EMG2) ed il motore comanderà l’apertura o la chiusura della mano.

Va detto peraltro che questo stesso circuito di potenza responsabile dell’ azionamento della mano è associato ad un interruttore meccanico, azionabile dal polso della mano, atto a consentire al paziente di disabilitare la protesi.

Ebbene, nonostante che questa tecnologia sia la più diffusa per l’azionamento delle protesi d’arto, non si può fare meno di rilevarne alcuni inconvenienti pratici di notevole portata, dovuti a • interferenze elettromagnetiche presenti nell’etere

• fenomeno del cross-talk dovuto all’attivazione di muscoli vicini a quelli sui quali è applicata la protesi

• elevata forza con cui gli elettrodi devono essere premuti contro la cute del paziente per poterne rilevare l anzidetto segnale elettrico

• scadente qualità del medesimo segnale elettrico in capo a quei pazienti che abbiano subito un’amputazione particolarmente traumatica, con conseguente riduzione della contrattilità muscolare.

Proprio sulla base dell’osservazione di tali inconvenienti è stata concepita la protesi secondo il trovato, il cui funzionamento si ispira ad una tecnologia completamente differente, in particolare quella relativa alla spettroscopia nel vicino infrarosso (NIR).

In effetti l’attuale impiego della spettroscopia nel vicino infrarosso in campo clinico sfrutta, per quanto riguarda l’indagine dei tessuti muscolari, la differenza tra lo spettro di assorbimento dell’emoglobina libera e di quella ossigenata. Ad 800 nm (punto isosbestico) le due forme di emoglobina hanno esattamente lo stesso spettro di assorbimento; pertanto l’assorbimento della luce a questa lunghezza d’onda è proporzionale al contenuto totale di emoglobina nel tessuto indagato.

Sulla base di tali conoscenze si è ipotizzato un nuovo utilizzo dell’anzidetta tecnologia, basato sulla valutazione dell’intensità e della durata delle singoli contrazioni muscolari del solito moncone cui sia applicata la protesi.

Per maggiore chiarezza esplicativa la descrizione del trovato prosegue con riferimento alle tavole di disegno allegate, aventi solo valore illustrativo e non certo limitativo, in cui:

- la figura 1 è un grafico che serve ad illustrare le proprietà funzionali della tecnologia secondo il trovato in rapporto a quelle della tecnologia tradizionale preesistente;

- la figura 2 è una rappresentazione assonometrica di uno dei sensori adottati nella protesi secondo il trovato;

- la figura 3 è il circuito elettronico per la gestione della medesima protesi d’arto superiore;

- la figura 4 è una rappresentazione assonometrica schematica di una possibile forma di realizzazione della protesi d’arto secondo il trovato, destinata in particolare ad un soggetto che abbia subito l’amputazione del braccio al di sotto dell’ ascella.

Ebbene, ai fini della valutazione dell’intensità e della durata delle singole contrazioni muscolari, risulta informativo un segnale scatterato che, ottenuto a partire da una lunghezza d’onda oltre il punto isosbestico, fornisce informazioni sul contenuto complessivo di emoglobina e quindi sulla quantità complessiva di sangue che attraversa la zona sotto indagine.

Sono quindi stati condotti degli studi preliminari per la rilevazione della contrazione muscolare utilizzando contemporaneamente un comune elettrodo EMG per protesi mioelettriche ed un ossimetro a riflettanza (TIREOX, Laros S.a.s., Pavia) che utilizza una lunghezza d’onda di 810 nm.

L’anzidetta figura 1 mostra un esempio dei due segnali registrati durante la singola contrazione muscolare di breve durata; in tale figura è possibile notare come la morfologia dei due segnali sia perfettamente confrontabile.

Ebbene, proprio partendo da questi ultimi risultati sperimentali e tenendo conto di alcuni importanti fattori tecnici, si è proceduto alla progettazione della protesi d’arto secondo il trovato e, più precisamente del nuovo sensore responsabile del suo azionamento.

Particolare attenzione è stata anche dedicata al contenimento degli ingombri di tale sensore, visto che comunque esso è destinato ad essere alloggiato al'interno di quella stessa invasatura presente sulle protesi d’arto al fine di contenere l elettrodo cutaneo nella versione standard del Centro Protesi INAIL.

Con particolare riferimento alla figura 2, il sensore anzidetto (1) utilizza un particolare emettitore (2) costituito da un diodo LED OD 870 F (potenza 4,5 mW) che emette una banda di 50 nm. centrata su una lunghezza d’onda di 870 nm.

La scelta del diodo LED è dovuta al fatto che esso risulta facilmente pilotabile e poco sensibile alle fluttuazioni termiche ed anche in quanto si presta a supportare direttamente la sorgente luminosa che, in tal modo, può essere posta a stretto contatto della cute.

Per rilevare il segnale riflesso dal muscolo del moncone l’anzidetto sensore (1) adotta un foto rivelatore integrato OP 21 1 (3).

La distanza tra emettitore e ricevitore, da cui dipende la massima profondità cui penetrano i fotoni, è di 12 mm. Al fine di non danneggiare i componenti elettrici presenti sul sensore, è previsto che la superficie dello stesso sia ricoperta con colla ottica di tipo impermeabilizzante, biocompatibile ed ipoallergenica.

In pratica il funzionamento della protesi d’arto secondo il trovato viene assicurato da una coppia degli anzidetti sensori ottici (1), uno per il muscolo agonista ed uno per il muscolo antagonista; tale coppia di sensori viene controllato per il tramite del circuito elettronico mostrato in figura 3.

Nel primo di detti sensori il clock principale è fornito da un integrato LM555 che fornisce un’onda quadra ad 1 kHz. Gli impulsi così ottenuti vengono dapprima formati tramite due integrati 74HC123 per avere una durata di 0,1 ms e sono poi inviati ad un “Led driver” in grado di fornire fino a 60 mA al led (si tratta dell’integrato 74F3037). La radiazione luminosa diffusa quindi dai tessuti muscolari viene raccolta da un foto diodo amplificato OP 211 con guadagno di transimpedenza pari ad 1 Mohm.

Il segnale così preamplificato viene iniettato in un “sample and' hold”, il cui comando è sempre fornito dalla coppia di 74HC123 che lo formano e ritardano opportunamente a partire dall’onda quadra affinché sia in fase.

Il segnale viene inviato ad un amplificatore di tensione con il guadagno selezionabile mediante un dip-switch; si tratta di un amplificatore operazionale LF347 in configurazione non invertente.

Il secondo sensore è analogo al primo appena descritto, con l’unica differenza che gli impulsi luminosi del primo sono sfasati rispetto a quelli del secondo, in modo di evitare fenomeni di interferenza sui tessuti. Pertanto si usa lo stesso clock principale dato dall’integrato LM555, mentre i formatori 74HC123 producono anche un ritardo rispetto al primo sensore.

Va precisato infine che l’anzidetta coppia di sensori ottici è stata collegata al driver di potenza della mano protesica utilizzando un PC dotato di un’opportuna scheda di acquisizione, al fine di validarne il funzionamento. Il segnale proveniente dai due sensori viene digitalizzato ed amplificato per poter essere compatibile con i livelli di input previsti dal driver di potenza.

In pratica i due sensori ottici (la, lb) utilizzati a corredo della protesi d’arto secondo il trovato vengono posizionati sul moncone del paziente nelle stesse posizioni dove attualmente sono dislocati gli elettrodi EMG delle protesi tradizionali ed al paziente è richiesto di compiere le stesse contrazioni muscolari richieste nell’utilizzo delle protesi tradizionali.

Sulla base di opportune sperimentazioni, si è potuto verificare come i segnali prelevati dai sensori ottici in dotazione alla nuova protesi secondo il trovato siano in grado di comandare perfettamente l’apertura e la chiusura della mano protesica.

L’anzidetta figura 4 permette di verificare infine le modalità pratiche di applicazione degli anzidetti sensori (la, lb) all’anzidetta preferita forma di realizzazione della protesi d’arto superiore secondo il trovato.

In effetti tale protesi (100) si avvale convenzionalmente di un’invasatura (100a) per l’insediamento del moncone; all’intemo di questa stessa invasatura (100a) sono montati i due anzidetti sensori (la, lb), in maniera tale che l’uno possa prelevare il segnale prodotto dal muscolo agonista del moncone e l’altro il segnale prodotto dal muscolo antagonista del moncone medesimo.

L’invasatura (100a) adottata nel particolare modello di protesi mostrato in questa stessa figura 4 risulta incernierata, per mezzo di un gomito motorizzato (101), al rispettiva avambraccio protesico (102) che, a sua volta, termina con una mano protesica motorizzata (103).

Il medesimo avambraccio protesico (102) contiene, oltre aH’amplificatore ed al circuito di potenza, gli alimentatori (104) preposti a fornire l’energia necessaria per il funzionamento della protesi in questione (100).

A prescindere dal fatto che in quest’ultima figura 4 sia stato riprodotto un modello di protesi d’arto superiore destinato a soggetti amputati poco al di sotto dell’ascella, resta inteso che la presente idea inventiva può trovare applicazione altrettanto felice anche in presenza di differenti versioni di protesi d’arto superiore, in presenza di quelle versioni, cioè, destinate a soggetti che abbiano subito amputazioni dell’arto superiore a qualsiasi altro livello, persino a livello del polso.

Ciò in quanto anche tutte queste differenti protesi d’arto superiore sono comunque dotate di quell’invasatura per il moncone che, nell’ambito della presente invenzione, è destinata ad ospitare i due anzidetti sensori (la, lb) atti a funzionare in base alla teoria della spettroscopia nel vicino infrarosso.

Claims

RIVENDICAZIONI 1) Protesi d’arto superiore, del tipo recante un’invasatura (100a) per l’insediamento del moncone e terminante con una mano protesica motorizzata (103), caratterizzata per il fatto di recare, in corrispondenza dell’anzidetta invasatura (100a), due sensori ottici (la, lb) come descritti nella precedente descrizione, che risultano capaci, sfruttando la teoria della spettroscopia nel vicino infrarosso, di rilevare rispettivamente le contrazioni e le decontrazioni del muscolo agonista del moncone e le contrazioni e le decontrazioni del muscolo antagonista del medesimo moncone; essendo previsto ancora che le rilevazioni degli stati di contrazione e di decontrazione degli anzidetti muscoli operate a cura dei due medesimi sensori (la, lb) siano tradotte, per il tramite del circuito elettronico di gestione descritto nella precedente descrizione, in corrispondenti comandi di azionamento per l’anzidetta mano protesica motorizzata (103).