Analysis of muscle coordination for the design of improved interacting robotic systems

Nonostante l'impegno sempre maggiore per lo sviluppo di sistemi robotici per la neuroriabilitazione, giustificato dal grande potenziale di queste applicazioni come strumenti aggiuntivi ed efficienti per la terapia, la loro efficacia dal punto di vista clinico è tuttora discussa. Molti dei sistemi sviluppati fino ad oggi sono stati progettati da una prospettiva ingegneristica senza tener conto di alcune fondamentali richieste necessarie per la terapia, il che si riflette nei risultati clinici poco soddisfacenti ottenuti da queste soluzioni. Per migliorare questi sistemi, i nuovi protocolli per la riabilitazione devono basarsi su una conoscenza più approfondita su come il controllo motorio e la coordinazione muscolare sono ottenuti al livello neurologico, e su come sono modificati da danni al sistema nervoso. In questo progetto di ricerca, che nasce da una collaborazione tra il gruppo Mechatronics dell'Università degli Studi di Padova e il Upper Extremity Motor Function Laboratory della Medical University of South Carolina, abbiamo impostato lo studio della coordinazione partendo dalla ricerca di schemi basilari di coordinazione muscolare, usati per eseguire movimenti diversificati e condivisi da vari soggetti. Abbiamo registrato l'attività di 16 muscoli dell'arto superiore di 15 soggetti sani e di 14 pazienti con ictus durante l'esecuzione di un elevato numero di movimenti rapidi. Successivamente abbiamo applicato un algoritmo di fattorizzazione non negativa agli inviluppi dei segnali elettromiografici e abbiamo estratto i relativi moduli motori, i quali rappresentano le strategie di coordinazione usate da ogni soggetto. Abbiamo scoperto che un numero molto limitato di moduli motori può spiegare l'attività muscolare di tutti i soggetti sani, e che molte di queste strategie di coordinazione sono condivise tra il lato dominante e quello non dominante. Inoltre ci risulta che la maggior parte dei soggetti sani usi delle strategie simili, e abbiamo potuto associare ognuno dei moduli motori più comunemente condivisi con delle corrispondenti funzioni biomeccaniche. Oltre a ciò abbiamo visto che gli effetti dell'ictus possono essere quantificati osservando il numero di moduli motori e analizzando la loro composizione. Infatti i pazienti con ictus hanno un numero di moduli significativamente più basso su entrambi i lati, e alcuni di questi moduli possono essere visti come la fusione di due o più moduli riscontrati nei soggetti sani. Questi risultati indicano che le disabilità motorie post ictus possono essere spiegate da una riduzione del set di moduli motori. Insieme all'apparente inabilità nel controllare certi moduli in maniera indipendente, i quali quindi risultano come fusi, questo potrebbe giustificare la limitata complessità osservata nei pazienti con ictus. Nuovi protocolli per la riabilitazione robot-assistita potrebbero usare le informazioni ottenute dall'estrazione di moduli motori per valutare le disabilità motorie del paziente e per indirizzare la terapia verso le sue specifiche necessità. Il confronto tra i moduli motori del paziente con quelli identificati nei soggetti sani può dare delle informazioni preziose sulla natura delle disabilità del paziente, e fornire delle linee guida per la scelta delle funzioni motorie su cui indirizzare la terapia