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Prototipi

Mese 36: Test della protesi digitale attuata e sensorizzata su amputati

È stata portata a termine presso il Centro Protesi INAIL – Budrio (BO) una serie di esperimenti che ha coinvolto due persone con amputazione parziale di mano a livello prossimale. L’obiettivo è stato quello di valutare molteplici aspetti del sistema realizzato nel corso del progetto. Le protesi motorizzate sono state indossate con una invasatura creata ad hoc. Il controllo dei movimenti della protesi avviene tramite tecniche di riconoscimento di segnali EMG di superficie: il soggetto indossa un bracciale che si trova tra la batteria e l’elettronica di pilotaggio. La protesi integra un doppio sistema di feedback (vibro-tattile e visivo) che può essere attivato o disattivato in base alle esigenze di protocollo. Le due persone coinvolte nei test hanno compilato un questionario che ha valutato la loro soddisfazione e la loro percezione soggettiva. I risultati di questi esperimenti hanno attestato la robustezza e la destrezza della protesi, oltre a registrare un gradimento della protesi da parte dei soggetti amputati.

falange prossimale
Soggetto amputato impegnato in sperimentazione di protesi di mano parziale durante un tipo di presa.


falange prossimale
Soggetto amputato impegnato in sperimentazione di protesi di mano parziale durante test di destrezza.


Sistema protesico di mano parziale basato su S-Finger. Il sistema è dotato di feedback visivo (led) e vibro-tattile (vibratore). Nel video sono mostrati i test di destrezza effettuati da soggetti amputati con protesi di mano parziale basata su S-Finger.




Mese 36: Stimolazione elettro-tattile su amputati parziali

Gli esperimenti con stimolazione elettro-tattile hanno coinvolto sei persone con amputazione parziale di mano: l’obiettivo è stato quello di valutare la possibilità di restituire una sensazione tattile sollecitando, con una stimolazione elettrica non invasiva, zone sane del corpo, in particolare il palmo della mano. Tali esperimenti nascono dalla constatazione che, nei test preliminari su persone non amputate, è stato possibile restituire una sensazione riferita (ovvero una sensazione percepita in una zona diversa da quella dove è stato effettivamente piazzato l’elettrodo di stimolazione) sulle dita applicando la stimolazione sul palmo. I risultati di questi nuovi esperimenti sembrano confutare le ipotesi precedenti, evidenziando la possibilità di restituire una sensazione tattile in una zona riferita ma limitata al moncone.

falange prossimale
Dettaglio relativo al posizionamento degli elettrodi sulle mani dei soggetti amputati durante la sperimentazione.




Mese 36: Esperimenti di valutazione del DESC-Finger

Il prototipo di protesi distale (i.e. DESC-Finger), capace di fornire una stimolazione vibro-tattile nei momenti di contatto e di rilascio degli oggetti, è stato valutato lasciando il dispositivo in dotazione a due amputati, in modo da avere un riscontro diretto sui suoi effetti. Dopo il periodo di prova i pazienti, oltre a svolgere un test di destrezza, hanno compilato un questionario che è servito a valutare l’efficacia del dispositivo. I risultati sono stati abbastanza buoni, in particolare i test di destrezza con il dispositivo sono risultate migliori rispetto alle stesse prove senza ritorno sensoriale.

Un soggetto amputato prende parte alla sperimentazione del DESC-Finger.


falange prossimale
A) Il prototipo di DESC-Finger sviluppato e lo stesso prototipo insieme al suo caricatore. B-C) Arto residuo dei soggetti coinvolti nello studio e mentre indossano il DESC-Finger.



Mese 30: S-Finger: Sistema di protesi prossimale motorizzato (PPM) con feedback sensoriale

È stato sviluppato un sistema protesico prossimale testato da soggetti con amputazione parziale di mano. Il sistema (chiamato anche sistema S-Finger) è una protesi motorizzata di dito dotata di un sistema di ritorno sensoriale. Il dispositivo è costituito dai seguenti elementi:
1. S-Finger: Dita protesiche motorizzate e sensorizzate composte da 2 falangi (prossimale e distale). II movimento viene fornito da un unico motore elettrico mentre l’accoppiamento tra falange prossimale e falange distale è realizzato mediante un meccanismo a quadrilatero articolato inverso. La falange distale può ospitare al suo interno un sensore di pressione con led per un feedback visivo.
2. Elettronica di controllo capace di controllare fino a più dita protesiche. Il sistema è in grado di interfacciarsi con almeno due sensori per l’acquisizione di segnali elettromiografici (EMG) per il controllo del dispositivo.
3. Elettrodi EMG
4. Pacco batterie 7.4V – Litio
5. Carica batterie
6. 1 bracciale con connettore carica batterie e interruttore ON/OFF. Il bracciale incorpora anche un vibratore in modo da poter restituire una forma di feedback sensoriale..

falange prossimale
Sistema protesico di mano parziale basato su S-Finger pronto per sperimentazione.


falange prossimale
S-Finger:Prototipo finale di protesi digitale prossimale attuata e sensorizzata.



Mese 30: Sistema sensoriale multimodale

Il sistema sensoriale multimodale è un sistema di acquisizione equipaggiato con sensori di pressione e temperatura o in alternativa di vibrazione. Le dimensioni contenute del sistema permettono un facile rivestimento polimerico (SORTA CLEAR shore 40, Smooth On Inc.), che riprende la forma di un polpastrello.
In particolare, sono stati realizzati due diversi prototipi:
- un primo prototipo equipaggiato con due sensori: un sensore di pressione, che fornisce informazioni di contatto, e un microfono che fornisce informazioni relative allo scivolamento;
- un secondo prototipo equipaggiato con due sensori: un sensore di pressione, analogo a quello del primo prototipo, e un sensore di temperatura utile a stimare la temperatura di un oggetto prima del contatto con il dito.
Entrambi i prototipi possono essere integrati come ultima falange del sistema di protesi motorizzata.


Sensore di pressione: l’elettronica di controllo legge il sensore e in base alle letture manda un feedback in vibrazione all’elettrodo che contiene lo stimolatore vibro-tattile. In parallelo viene anche pilotato il LED per il feedback visivo.


Sensore di temperatura: il prototipo rileva la temperatura di due oggetti a una certa distanza.



Mese 30: Sistema embedded di controllo basato su
elettromiografia superficiale (sEMG)

Il sistema di controllo embedded basato su segnale elettromiografico superficiale con elevata capacità di calcolo utilizza algoritmi decisionali per il controllo di protesi robotiche nello svolgimento delle più comuni attività quotidiane. La strategia di controllo della protesi si sviluppa con una procedura a due fasi: nella prima fase si utilizza la parte transiente del segnale sEMG per configurare il tipo di presa (la classe da individuare), mentre nella seconda si utilizza un controllo proporzionale basato sulla parte stazionaria del segnale per la gestione della fase di presa.


falange prossimale
Sistema embedded di controllo: 1) Campionamento del segnale EMG tramite sensori; 2) Classificazione; 3) Attuazione del movimento POWER (presa di potenza), PINCH (presa di precisione tridigitale) o LATERAL (presa laterale).


Sistema di controllo in uso con mano Azzurra (Prensilia s.r.l.): classificazione per tre classi di presa (laterale, di potenza e tridigitale o di precisione) e per la configurazione utilizzata per il rilascio degli oggetti (relax).



Mese 24: Protesi digitale attuata

Protesi attuata di dito. La protesi si applica a casi di amputazione di dita effettuate a livello della falange prossimale. Il prototipo è costituito da due falangi: una prossimale ed una distale. L’accoppiamento tra le falangi è ottenuto mediante un meccanismo a quadrilatero articolato inverso. Il movimento viene fornito da un unico motore elettrico a corrente continua tipo brushless alloggiato all’interno della falange prossimale. Nella falange distale è alloggiata l’elettronica necessaria al controllo della protesi.

falange prossimale
Primo prototipo di protesi digitale prossimale attuata

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Primo prototipo di protesi digitale prossimale attuata: video



Mese 24: Protesi digitale distale con ritorno sensoriale vibro-tattile (DESC-finger)

La protesi si applica a casi di amputazione di dita a livello della falange distale. Essa è caratterizzata da un sistema di ritorno sensoriale capace di fornire una stimolazione vibro-tattile all’amputato sia al momento del contatto che al rilascio di un oggetto. Tale tecnica di stimolazione si basa sull’ipotesi neuroscientifica denominata DESC (Discrete Event-driven Sensory feedback Control) secondo la quale l’esecuzione dei task motori da parte del Sistema Nervoso Centrale (SNC) è controllata in maniera predittiva ed organizzata in fasi successive delimitate da eventi sensoriali specifici caratterizzanti il task motorio. Il sistema di feedback sensoriale realizzato è energeticamente autonomo e può essere integrato in una matrice cosmetica. Si ricarica tramite un caricatore wireless (senza fili) appositamente progettato.

desc finger
Prototipo di protesi digitale distale con ritorno sensoriale vibro-tattile (DESC-finger): foto del prototipo con il sistema di ricarica



Mese 20: Esperimenti preliminari con sistema di ritorno sensoriale elettro-tattile

Una serie di esperimenti pilota su soggetti sani (20) è stata svolta con un sistema di stimolazione elettro-tattile appositamente sviluppato. Tali studi avevano il fine di valutare la possibilità di promuovere una sensazione riferita (ovvero una sensazione percepita in una zona diversa da quella dove è effettivamente piazzato l’elettrodo di stimolazione) sulle dita applicando la stimolazione sul palmo. I risultati sono promettenti: gli esperimenti sembrano confermare la possibilità di fornire stimolazioni percepite come provenienti dalle dita mancanti, stimolando però zone sane del corpo come il palmo o il dorso della mano.

elettrotattile setup
Un soggetto sano prende parte alla sperimentazione



Mese 18: Sensore di forza bi-assiale

Polpastrello artificiale polimerico che integra un sensore di forza bi-assiale ed una scheda elettronica per il condizionamento dei segnali. Il sistema, una volta alimentato, è in grado di fornire due segnali analogici proporzionali alla forza normale (forza di presa) e tangenziale (dovuta, ad esempio, allo scivolamento) sul polpastrello. Tale sensore è integrabile su una mano artificiale SSSA/Prensilia (Link) e potrà essere utilizzato in altri progetti INAIL della rete “PPR”.

sensore biassiale forza
Prototipo di falange sensorizzata: sensore di forza bi-assiale



Mese 12: Dito scaldante

Protesi con proprietà scaldanti che si pone l’obiettivo di risolvere (o attenuare) il frequente problema del “moncone freddo”, spesso riportato dagli amputati di dita. Il sistema consiste in una coppia “dito-oggetto riscaldante” in cui la potenza elettrica è trasferita induttivamente (ossia senza fili) dall’oggetto riscaldante (alimentato a batterie e delle dimensioni di un piccolo gadget elettronico) al dito. Quest’ultimo contiene un elemento riscaldante in grado di trasferire calore al moncone.

dito scaldante
Prototipo di protesi digitale distale con proprietà scaldanti: foto del prototipo con l’oggetto scaldante



Mese 6: Piattaforma per imaging muscolare ad ultrasuoni

Piattaforma di registrazione delle immagini a ultrasuoni (US) dei muscoli estrinseci della mano (collocati cioè nell’avambraccio), capace di registrare immagini US ed altri segnali da sensori esterni (guanti sensorizzati e celle di carico) durante lo svolgimento di task motori. La piattaforma è stata utilizzata per acquisire dati preliminari su soggetti sani che hanno permesso di studiare la relazione tra i movimenti della mano umana o le forze prodotte dalle dita ed i movimenti dei muscoli estrinseci che li hanno generati, durante attività di presa o manipolazione.

platform us
Set-up sperimentale: foto. L’immagine mostra lo scanner, il guanto sensorizzato (data glove) indossato dal soggetto, la sonda US fissata sull’avambraccio attraverso un apposito supporto e l’interfaccia grafica per il monitoraggio in tempo reale dei dati.