Ricerca e sperimentazione INAIL- Hannes

Nell’ambito del proprio mandato istituzionale, il Centro Protesi Inail svolge una significativa attività di ricerca scientifica, di sviluppo tecnologico e di sperimentazione clinica nel campo della protesica e della riabilitazione. Per l’esame dei programmi di ricerca è istituita, per legge (D.P.R. 782/1984), un’apposita Commissione Tecnico-Scientifica

i progetti del programma del triennio appena concluso sono riconducibili a cinque linee tematiche su cui è stata sviluppata l’intera attività di ricerca, in ambito tecnico, sanitario, riabilitativo e di integrazione sociale:

• riabilitazione robotica;

• protesica di arto inferiore;

• protesica di arto superiore;

• chirurgia e riabilitazione;

• sistemi di valutazione.

I progetti sono svolti in collaborazione con istituti di ricerca e università di alto profilo scientifico e tecnologico, con i quali sono state firmate apposite convenzioni.

Amputazione dell’arto superiore 

L'amputazione è intesa come la perdita accidentale o l'asportazione chirurgica di un arto (inferiore o superiore), totale o di un suo segmento, con tutte le sue componenti (pelle, vasi, nervi, osso e muscolo).

 

Livelli di amputazione arto superiore

Le amputazioni degli arti superiori si distinguono in base al livello al quale vengono praticate: 

• spalla;

• interscapolotoracica;

• braccio;

• gomito;

• avambraccio;

• polso;

• mano;

• dita.

A seguito dell’amputazione è necessario occuparsi con estrema attenzione del moncone, ovvero il residuo di un arto parzialmente amputato, per permettere all’amputato di indossare le protesi senza disagio, riprendendo per quanto possibile lo svolgimento delle proprie abitudini giornaliere. Il moncone "ideale" dovrebbe infatti avere un buon trofismo muscolare, mantenere un'efficiente circolazione sanguigna, non risultare dolente ed essere ricoperto di tessuto molle con cicatrice non troppo prominente. La pelle normale intatta, infatti, ha il grande vantaggio di un feedback sensoriale quando viene indossata una protesi, mentre la conservazione del muscolo è rilevante per l'uso di protesi elettroniche che utilizzano elettrodi posizionati sulla pelle, al di sopra del muscolo. Per evitare la possibilità che possano verificarsi sintomi di dolore e ulcerazioni cutanee è importante che le estremità ossee vengano adeguatamente smussate. 

L’amputazione viene praticata per trattare condizioni patologiche che assumono una gravità tale da compromettere la vascolarizzazione nell'arto interessato, che non possono essere gestite con altri approcci o che minacciano la sopravvivenza del paziente. 

Amputazione Chirurgica 

L'amputazione chirurgica è un intervento che viene eseguito fin dall'antichità; col passare dei secoli, le tecniche utilizzate per asportare la parte dell'arto affetta da patologia sono andate incontro ad un'evoluzione in senso conservativo: si tende a limitare più possibile l'ampiezza dell’amputazione. L'amputazione chirurgica è un intervento eseguito per controllare il dolore, i traumi irreparabili o un processo patologico severo nell'arto interessato. 

Amputazione Spontanea 

L'amputazione spontanea si verifica prevalentemente negli arti affetti da cancrena.

Amputazione Traumatica 

L'amputazione da trauma fisico è un'evenienza che si osserva prevalentemente in caso di incidenti stradali (automobili, motocicli, biciclette ecc.) e di infortuni sul lavoro (motoseghe, presse, attrezzature per processare la carne o per tagliare il legno ecc.).

Amputazione Congenita

L'amputazione congenita è un'evenienza piuttosto rara che si verifica quando il nascituro è ancora nell’utero. Questa particolare forma risulta quasi sempre dalla presenza di una briglia della membrana amniotica, che agisce come una banda costrittiva direttamente su di un arto del feto, determinandone l’amputazione. 

Trattamento post amputazione 

L’uso della protesi dell'arto superiore (ULP) offre agli amputati una nuova opportunità di vivere una vita di qualità. Una protesi è un utile dispositivo medico artificiale che sostituisce una parte del corpo mancante. Affinché il dispositivo abbia successo, il suo design deve soddisfare le aspettative e le esigenze degli utenti. Dopo l'intervento di amputazione, è imperativo ottimizzare le capacità fisiche residue dell'amputato attraverso processi riabilitativi, inclusa la riabilitazione postoperatoria, la desensibilizzazione e l'applicazione continua di medicazioni morbide o rigide per la riduzione del dolore e la modellatura del moncone. A seconda della situazione, una protesi può essere indossata nella fase iniziale del recupero, oppure può essere applicata una protesi postoperatoria immediata per promuovere la maturazione del moncone. Successivamente, per mantenere il range di movimento del moncone e per prevenire la deformazione, la porzione rimanente dell'arto deve essere posizionata in modo da prevenire la contrattura. Dovrebbero essere eseguiti anche esercizi continui per migliorare la forza muscolare, per garantire che l'amputato sia in grado di svolgere le attività della vita quotidiana in modo indipendente. Inoltre, è necessaria una gestione pulita della ferita o dell'edema del moncone, per prevenire problemi associati all'uso della protesi. Esistono però diversi casi di disuso e abbandono della protesi derivanti da problemi relativi a funzionalità, affidabilità, aspetto e comfort: alcuni dispositivi protesici hanno uno scarso controllo motorio mentre altri non sono abbastanza durevoli. In molti scenari, i pazienti non sono totalmente soddisfatti dell'aspetto e alcuni tipi di dispositivi non hanno la funzione touch sensoriale, oltre ad essere eccessivamente pesanti. 

A tal proposito, innovativa è la protesi della mano “Hannes”

Dispositivi innovativi per la protesi alla mano: HANNES

 REHAB TECHNOLOGIES INAIL-IIT LAB

Il Rehab Technologies Inail-IIT Lab è nato nel dicembre 2013 grazie all’accordo fra l’Inail e l’Istituto italiano di tecnologia (IIT), per lo sviluppo e la realizzazione di nuovi dispositivi protesici, ortesici e riabilitativi a elevato contenuto tecnologico. I diversi progetti in corso nel Rehab Technologies Lab coniugano un elevato livello tecnologico a un alto impatto sociale e comprendono la realizzazione di un esoscheletro per gli arti inferiori, un robot per la riabilitazione degli arti superiori, una protesi robotica di arto superiore e una di arto inferiore. Le soluzioni tecniche sono studiate partendo dalle necessità delle persone che le utilizzeranno e testate direttamente sul paziente. Medici, terapisti e pazienti, infatti, contribuiscono attivamente alla progettazione, realizzazione e sperimentazione dei dispositivi sviluppati

 COSA è Hannes

La mano protesica Hannes, progetto con IIT, nasce con l’obiettivo di realizzare sistemi affidabili di controllo e di feedback sensoriale, che consentano ai pazienti un utilizzo della protesi più naturale e meno impegnativo. Nell’ambito del progetto, il sistema protesico di arto superiore HannesArm rappresenta la base per lo sviluppo di un innovativo sistema di intelligenza artificiale.

Si tratta della prima mano bionica italiana, che prende il nome dal professor Hannes Schmidl, già direttore tecnico del Centro protesi Inail di Budrio, a cui si deve l’avvio dell’attività di ricerca protesica e la prima protesi mioelettrica Inail del 1965

 stato dell’arte – problematiche con le protesi d’arto superiore tradizionali

Sostituire la mano umana con dispositivi artificiali di pari capacità ed efficacia è una sfida di lunga data.

Anche le protesi della mano più avanzate, che hanno diversi gradi di libertà attivi controllati dai segnali elettrici dei muscoli residui del moncone, non raggiungono la complessità, la destrezza e l’adattabilità della mano umana. Pertanto, il tasso di abbandono della protesi rimane elevato a causa della scarsa realizzazione. La sfida e l’obiettivo era creare una mano protesica che incorporasse proprietà biomimetiche chiave che rendessero questa protesi unicamente simile a una mano umana. Il fine del progetto era quello di creare una mano con peso e qualità dei movimenti quanto più possibile equiparabili a quelli di un arto reale e l’intento è stato raggiunto dopo un lavoro durato circa 3 anni. La mano è attuata da un solo motore che trascina le dita in chiusura in modo molto armonioso attraverso dei cavi, un po’ mimando quelli che sono i tendini della mano umana. Questo motore viene poi comandato dalla persona attraverso la contrazione muscolare di alcuni muscoli residui che stanno all’interno dell’invaso a cui è connessa la mano. L’attività di questi muscoli residui, la contrazione, viene raccolta da dei sensori, i quali poi comandano in apertura e chiusura la mano attraverso il singolo motore. In questo modo i pazienti avranno la capacità di comandare la mano semplicemente pensando ai movimenti naturali e senza la necessità di alcun trattamento chirurgico invasivo.

 nuovo approccio/ incarnazione

Per mezzo di un approccio di progettazione olistico e attraverso un ampio lavoro di co-sviluppo che coinvolge ricercatori, pazienti, ortopedici e designer industriali, il dispositivo proposto raggiunge contemporaneamente antropomorfismo accurato, prestazioni biomimetiche, e comportamenti di presa simili a quelli umani che superano quanto richiesto nell’esecuzione delle attività della vita quotidiana (ADL).

Inoltre, la necessità di migliorare l’incarnazione, ovvero la sensazione degli individui che un arto virtuale o robotico sia integrato nel proprio schema corporeo, si rivela una strategia di grande impatto per migliorare l’accettazione della tecnologia protesica e l’accettazione uomo-macchina (Murray, 2004). Inizialmente il processo di incarnazione rende il dispositivo più familiare per gli utenti che ne diventano curiosi.

Successivamente e con l’addestramento, le rappresentazioni mentali degli utenti iniziano ad adattarsi alla progressiva integrazione uomo - artefatto (Nelson et. Al., 2020). Sentire un dispositivo come incarnato porta a miglioramenti nel coinvolgimento dell’utente, nell’accettazione della tecnologia, nella trasparenza del controllo e di conseguenza nelle prestazioni del sistema uomo-macchina.

 sperimentazione-studi

Per valutare l’efficacia e l’usabilità di Hannes, sono state eseguite prove pilota su amputati. Test e questionari sono stati utilizzati prima e dopo la sperimentazione, in cui gli amputati potevano utilizzare autonomamente Hannes a livello nazionale per eseguire ADL. Infine, sono stati condotti esperimenti per convalidare le elevate prestazioni di Hannes e la somiglianza umana del suo comportamento di presa. Sebbene la velocità di Hannes fosse ancora inferiore a quella raggiunta dalla mano umana, gli esperimenti hanno mostrato prestazioni di gran lunga migliori rispetto alla ricerca esistente o ai dispositivi commerciali in uso al momento.

 caratteristiche tecniche

Il pollice è orientabile in 3 diverse posizioni e rende possibili i tipi di orse necessarie della vita di tutti i giorni.

La mano è stata realizzata in 2 taglie e in versione destra e sinistra ed è in grado di spostare oggetti fino ad un peso di 15 kg.

È un dispositivo in grado di riprodurre circa il 90% della funzionalità di una mano naturale.

Consente all’utente di afferrare gli oggetti, adattandosi alla forma e alle resistenze esterne, rendendo i gesti più fluidi, in termini di versatilità, estetica e durata della batteria che può durare fino a un’intera giornata. È disponibile l’integrazione della protesi in un sistema protesico completo di arto superiore.

Presa fine: per oggetti piccoli, scrittura, operazioni di precisione. Per oggetti cilindrici.

Presa laterale: per oggetti sottili come carte, chiavi, etc

Presa di forza: per oggetti grandi o pesanti

Posizione di riposo per un aspetto naturale

Polso flessibile e girevole

Range di flesso-estensione del polso: +/- 70°

Movimento libero con 5 posizioni di fissaggio

Rotazione del polso motorizzata: Gradi di rotazione: 0 - 180°

 vantaggi

“Hannes” permette di restituire ai pazienti circa il 90 per cento delle funzionalità di una mano naturale.

La mano robotica viene controllata dalla contrazione del muscolo residuo dell’arto mancante mediante sensori di superficie che captano il segnale elettrico proveniente dal cervello. Successivamente, il segnale viene pulito, amplificato, e trasmesso a una scheda motore a cui è demandato il compito di dare l’input al motore responsabile del movimento delle dita

Morbidezza e capacità di adattamento agli oggetti. “Hannes” è un sistema protesico di arto superiore antropomorfo poliarticolato comprendente mano e polso, le sue caratteristiche principali sono la morbidezza e la capacità di adattarsi, in modo dinamico, alla forma degli oggetti da afferrare. È molto simile a una mano umana ed essendo stata sviluppata direttamente con i pazienti, è di uso pratico. In seguito ad alcuni studi pilota condotti su amputati presso il Centro Protesi INAIL, si è scoperto che, dopo un periodo di formazione di circa una settimana, i pazienti potevano utilizzarla, in modo autonomo, nella propria abitazione, per svolgere attività di vita quotidiana. Il meccanismo alla base del movimento delle dita, della forza e del tipo di presa dipende dal sistema Dag (Dynamic Adaptive Grasp) che conferisce alla mano la capacità di afferrare gli oggetti adattandosi alla loro forma e di resistere alle eventuali sollecitazioni esterne.

Personalizzazione del funzionamento attraverso un software e una connessione bluetooth. 

La protesi consiste in un sistema mioelettrico che può essere indossato tutto il giorno, adattabile alle diverse disabilità degli arti superiori. Una serie di sensori elettromiografici di superficie, posizionati all’interno di un’invasatura personalizzata, rileva l’attività dei muscoli residui dell’arto, nella parte inferiore o superiore del braccio, che vengono attivamente contratti dal paziente per eseguire più movimenti. Inoltre, attraverso un software appositamente sviluppato e una connessione bluetooth, è possibile personalizzare i parametri di funzionamento della mano, come la precisione e la velocità dei movimenti, per garantire l’esperienza migliore per ogni paziente. i pazienti hanno la capacità di comandare la mano semplicemente pensando ai movimenti naturali e senza la necessità di alcun trattamento chirurgico invasivo. Realizzata in due diverse misure e adatta a persone di entrambi i sessi pesa 450 grammi. Una delle caratteristiche principali di “Hannes” risiede nella progettazione meccanica, unica nel suo ambito, che conferisce alla protesi la versatilità e il movimento di un arto naturale. Il meccanismo alla base della mano è un sistema differenziale meccanico che le consente di adattarsi all’oggetto che viene afferrato utilizzando un solo motore. Realizzata in due diverse misure, 7 ¾ e 8 ¼, per destrimani e mancini, la protesi è adatta a persone di entrambi i sessi. Il suo peso è di 450 grammi. Il pollice può essere orientato in tre diverse posizioni. Le dita possono flettersi ed essere posizionate in modo naturale, anche a riposo. In particolare, il pollice può essere orientato in tre diverse posizioni per riprodurre un’ampia varietà di prese, tra cui una fine per raccogliere piccoli oggetti, un’altra laterale per afferrare oggetti sottili e una di potenza in grado di prendere e spostare anche carichi pesanti. La presa complessiva appare efficiente, robusta e naturale. La mano protesica ha ottenuto la marcatura CE. I principi fondamentali e il design di “Hannes” sono coperti dalle domande di brevetto IIT-INAIL. La mano protesica ha ottenuto la marcatura CE, fondamentale per la futura commercializzazione nel mercato europeo e presupposto per la fornitura internazionale. I ricercatori stanno cercando investitori e aziende per industrializzare e produrre “Hannes” su larga scala, a beneficio dei pazienti con disabilità fisica.

 Conclusioni

Ha un costo tra i 5 e i 10mila euro quindi il 40% in meno circa dei dispositivi attualmente in commercio con funzioni analoghe e viene fornito gratuitamente agli assicurati Inail.

Le scelte tecnologiche che stanno alla base dello sviluppo di questa protesi partono da un concetto ben preciso: progettare protesi molto complesse ha come conseguenza il fatto che poi vengono utilizzate con fatica e con grandi limiti. Hannes, al contrario, è economica, accettata, facile da usare e controllare.

 Riferimenti e bibliografia

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presentazione-mano-robotica-hannes.html

https://www.iit.it/it/web/rehab-technologies-inail-iit-lab/hannes

https://www.mbamutua.org/lavoce/hannes-la-mano-bionica-made-in-italy/

https://www.abilitychannel.tv/hannes-equiparabile-a-una-mano-reale/

https://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/9636391?casa_token=IGSTx1-

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https://www.science.org/doi/10.1126/scirobotics.abb0467

https://ieeexplore.ieee.org/document/9441111

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2021 Di Domenico D., Marinelli A., Boccardo N., Semprini M., Lombardi L., Canepa M., Stedman S.,

Bellingegni A.D., Chiappalone M., Gruppioni E., Laffranchi M., De Michieli L.

Hannes Prosthesis Control Based on Regression Machine Learning Algorithms

IEEE International Conference on Intelligent Robots and Systems, pp. 5997-6002