Appunti di Riabilitazione Motoria

Riabilitazione motoria

Lezione 1: Introduzione

Partiamo dalla definizione di riabilitazione: “...la messa in opera di tutti i mezzi atti a favorire lo sviluppo del massimo potenziale della persona disabile sul piano fisico, psichico, sociale e vocazionale”. L’obiettivo è garantire che una persona torni al massimo delle sue potenzialità rispetto alla sua condizione fisica.

Concetti fondamentali

• Danno (impairment = difetto, anomalia, deficit derivante come postumo della malattia): la malattia ha un decorso che si conclude presumibilmente con la guarigione. Se questo non avviene dopo la cura rimane un danno, ormai incurabile. La situazione è oggettiva e osservabile.
• Disabilità (disability = restrizione o impossibilità di svolgere una funzione con le modalità e con lo sforzo generalmente richiesti ai soggetti normali): il concetto di disabilità è più legato alla funzione. Spesso sono richiesti dispositivi di ausilio per riuscire a svolgere la funzione, anche se questi comportano talvolta un maggior dispendio energetico.
• Handicap (svantaggio derivante dall’interazione tra disabilità e richiesta o esigenza o aspettativa): l’handicap nasce nel momento in cui si vogliono o devono svolgere dei compiti che sono ostacolati dalla disabilità. Quindi è un concetto legato all’interazione con l’ambiente.

Tutti questi elementi richiedono diversi interventi possibili, che sono:

• Limitazione del danno: interventi di tipo medico, connessi alla prevenzione e alla cura della malattia. Si possono prevedere anche dei dispositivi di prevenzione. Si devono evitare danni gravi, anche se dipendono fortemente dalla natura della malattia.
• Superamento della disabilità: si usano dispositivi tecnici quali protesi (dispositivi che sostituiscono una parte anatomica), ortesi (dispositivi che aiutano un organo o una parte anatomica deficitaria a svolgere la propria funzione), ausili funzionali (dispositivi che permettono di svolgere una funzione in modo efficiente anche con modalità diverse da quelle fisiologiche). Un esempio di prodotto di ausilio funzionale è la sedia a rotelle che consente di muoversi liberamente nell'ambiente ma in modo diverso rispetto a quello naturale; questi dispositivi si possono usare anche in condizioni di non estrema disabilità ma per quelle situazioni in cui serve un ulteriore aiuto (come per gli anziani). Questi dispositivi consentono di eseguire le funzioni compromesse in modo quasi fisiologico; rientrano in un ambito più tecnico ed ingegneristico che medico.
• Riduzione dell’handicap: servono sia gli ausili, sia particolari misure di carattere ambientale e sociale (eliminazione di barriere architettoniche, organizzazione del lavoro, servizi). L’obiettivo è quello di ridurre le barriere sociali ed architettoniche.

Un esempio di applicazione è la stimolazione elettrica dei muscoli che non sono danneggiati ma che non ricevono il comando motorio tramite sistemi ibridi FES. In questo modo si possono eseguire comandi di base. Ci possono essere anche dispositivi di assistenza di pedalata elettrica; pazienti paralizzati erano in grado di muovere le gambe proprio grazie alla stimolazione elettrica. Questo approccio rappresenta un grande vantaggio di trattamento perché permette di ridurre gli effetti secondari dovuti alla mancanza di cammino o di movimento.

La situazione globale della disabilità

Quanto è grande il problema della disabilità? È difficile da quantificare, ma riportiamo alcuni dati Unione Europea (stima restrittiva): circa 40 milioni di persone con disabilità, pari a quasi l’11% della popolazione (dati della Commissione Europea). Bisogna inoltre considerare che le disabilità cognitive sono fortemente correlate all’età della persona (il 70% degli individui con questo tipo di disabilità ha più di 60 anni). È difficile quantificare la disabilità anche perché non è semplice definirne le soglie: un fattore rilevante sicuramente è l’età e, soprattutto nei paesi industrializzati, l’aumento dell’aspettativa di vita comporta la perdita di funzioni. Si devono considerare anche le disabilità cognitive, non solo fisiche.

Nel mondo: 10% della popolazione affetta da disabilità di cui 1/3 in età evolutiva. Anche nei bambini possono osservarsi malattia degenerative, traumi e incidenti (come le mine antiuomo). Le cause della disabilità sono diverse:

• Paesi industrializzati: maggiore possibilità di sopravvivenza e maggiore durata della vita.
• Paesi in via di sviluppo: malnutrizione, malattie infettive

Cause di disabilità: 11% traumi, 13% lesioni congenite, 56% disturbi cronici legati all’anzianità, 20% altre cause (tumori, malattie degenerative, eventi cardiovascolari, ecc.). La cura tempestiva può sicuramente ridurre le cause di incidenza.

Il ruolo della bioingegneria

Il ruolo della bioingegneria nel settore della riabilitazione è fondamentale, soprattutto in termini tecnici:

• Fornire strumenti e metodi per la quantificazione del danno e la valutazione funzionale: da una valutazione accurata e quantitativa si possono ottenere delle indicazioni mirate e corrette per il superamento della disabilità. È anche fondamentale il monitoraggio nel tempo delle condizioni patologiche per adottare le necessarie misure correttive.
• Fornire un supporto metodologico e tecnologico al processo di decisione e pianificazione dell’intervento.
• Studiare e migliorare i dispositivi per la riabilitazione.

Il concetto di riabilitazione è stato sviluppato ulteriormente, andando a definire i settori in cui è necessario un intervento. Si introduce la Classificazione dei livelli di intervento della Riabilitazione (OMS 2001):

• Funzioni corporee (funzioni fisiologiche dei sistemi corporei, incluse le funzioni psicologiche)
• Strutture corporee (parti anatomiche del corpo come organi, arti e loro componenti)
• Attività (esecuzione di un compito o di un’azione da parte di un individuo)
• Partecipazione (coinvolgimento di un individuo in una situazione di vita)
• Fattori ambientali (caratteristiche del mondo fisico, sociale e degli atteggiamenti, che possono avere impatto sulle prestazioni di un individuo in un determinato contesto)

Il sistema neuromuscolo-scheletrico

Partiamo dal sistema neuromuscolo-scheletrico: dal sistema nervoso centrale provengono i segnali per controllare il movimento dei muscoli e quindi dei segmenti ossei. L’integrazione sensori-motoria si riferisce al fatto che tutti i movimenti sono sviluppati in relazione alle condizioni esterne e non sono altro che reazioni alle perturbazioni esterne. Il sistema di controllo coinvolge muscoli diversi in funzione delle informazioni sensoriali che provengono dall’ambiente e che sono percepite dai recettori. Tali informazioni sono poi integrate a livello centrale. I movimenti derivano quindi da componenti sensoriali e motorie.

I collegamenti tra sistemi sensoriali e sistemi motori sono di livello inferiore rispetto a quelli provenienti dal sistema cognitivo e avvengono in maniera involontaria. L’interazione diversa tra sensori e muscoli avviene di solito a livello del midollo spinale: le fibre afferenti portano informazioni mentre le vie efferenti controllano i muscoli. Si attivano delle risposte agli stimoli esterni a un basso livello, senza coinvolgere il sistema cognitivo: di solito questo avviene in presenza di pericoli e di incidenti. Il percorso dai sistemi motori ai sistemi sensoriali si riferisce al fatto che a volte il sistema motore viene usato per fornire dei segnali di tipo sensoriale; ad esempio, quando si è in un ambiente al buio e si cerca di muoversi, l’esplorazione dell’ambiente tramite il piede e le mani consente di raccogliere informazioni sensoriali, che possono poi essere anche elaborate a livello congiuntivo. Il collegamento bidirezionale tra sistemi motori e sensoriali è fondamentale; talvolta, pur venendo meno questi percorsi, le strutture fisiche sono ancora presenti ma non lavorano correttamente perché mancano degli stimoli che le attivino. Allora, producendo artificialmente il movimento degli arti, le informazioni inviate al sistema sensoriale sono le stesse che si avrebbero in normali condizioni fisiologiche per cui il paziente può apprendere tali percorsi, che vengono riattivati.

Le correlazioni anatomiche

Andando a vedere meglio le correlazioni anatomiche, ci riferiamo allo schema alato: il sistema di controllo nervoso comprende le aree motorie della corteccia (che avvolge l’encefalo). Tali zone vengono attivate durante particolari movimenti motori o quando si svolgono alcune funzioni; si stanno ancora studiando i collegamenti tra le regioni corticali. Le aree motorie inviano dei comandi discendenti verso il sistema motore attraverso due vie:

• Vie piramidali: sono dirette. Sono fibre nervose che si raccordano a livello del tronco encefalico e del nucleo della base, arrivando fino al midollo spinale senza interazione con altri nuclei. Qui, tramite sinapsi, attivano delle reti spinali a livello locale. Da qui, tramite i nervi che innervano i muscoli, i comandi sono inviati direttamente sulle strutture effettrici, senza ulteriori elaborazioni.
• Vie extrapiramidali: si fermano a livello del tronco encefalico che si trova alla base del cervello. Qui interagiscono con reti neurali; c’è un’ulteriore elaborazione prima che le informazioni siano inviate fino al midollo spinale.

A livello dell’encefalo si possono avere lesioni causate da trombi o da coagulazioni che occludono le arterie; le zone non irrorate subiscono danni a livello nervoso. L’embolia invece è dovuta alla presenza di particelle di aria nel tessuto cerebrale; ancora si può avere un’emorragia. In ogni caso, tutte le zone del cervello che non vengono irrorate con sangue e ossigeno vanno incontro a necrosi, con danni nervosi e motori. I danni a livello delle fibre piramidali sono anche abbastanza frequenti nella zona della corona raggiata dove la densità di fibre è elevata.

I comandi motori possono subire elaborazioni ad opera dei gangli della base, del talamo e del cervelletto; tutti questi sistemi interagiscono tra di loro per elaborare le informazioni provenienti dalla corteccia e poi rinviarle alla stessa. Ad esempio, il morbo di Parkinson deriva da un’alterazione dei gangli della base, sui quali si può lavorare per eliminare dei deficit. Le informazioni elaborate dai gangli della base passano attraverso il talamo per poi tornare alla corteccia al fine di elaborare ulteriori strategie. Anche il cervelletto riceve comandi dalla corteccia per poi attivare il talamo o il tronco encefalico, che introduce modifiche sui segnali diretti al midollo spinale.

Le vie sensoriali e il feedback

Per quanto riguarda le vie sensoriali, i recettori captano informazioni relative alla forza e al movimento per inviarle al sistema di controllo del midollo spinale. In questo modo si producono delle modifiche dirette sulle contrazioni muscolari. Nonostante le variazioni delle perturbazioni esterne, grazie a questo meccanismo il corpo è in grado di attuare delle compensazioni. Le informazioni di retroazione dei recettori vengono inviate anche a livelli più elevati, verso il tronco encefalico, che corregge i segnali discendenti, il talamo e il cervelletto.

In questo schema si considera maggiormente la componente spinale. I centri superiori sono rappresentati da cervelletto, talamo, corteccia e tronco encefalico che sono influenzate dai recettori periferici ma anche da stimoli visivi, somatosensoriali e vestibolari. A livello spinale, c’è un sistema di retroazione di basso livello. I centri spinali sono reti neurali a livello del midollo che inviano segnali agli attuatori muscolari che agiscono sul sistema meccanico (le ossa). Il sistema meccanico interagisce con il mondo esterno, ricevendo carichi e forze e determinando così de movimenti. Il movimento risultante non è mai predefinito ma dipende dalle forze interne ed esterne.

Tramite un sistema di retroazione è possibile avere informazioni su alcuni parametri del movimento, così da confrontare il risultato ottenuto con quello desiderato per adattare eventualmente il comando motorio. Questo sistema prevede la rilevazione dell’effetto delle forze applicate, a livello di posizione articolare, di forza, di lunghezza e di velocità di variazione della lunghezza per cui sono previsti appositi recettori. La posizione articolare è rilevata da recettori nelle articolazioni; poi ci sono recettori di lunghezza e di velocità di variazione di lunghezza dato che i muscoli possono contrarsi o allungarsi. La contrazione muscolare è associata alla generazione della forza e può avvenire con un allungamento o un accorciamento del muscolo. I recettori di lunghezza e velocità si trovano nel muscolo e inviano le informazioni rilevate tramite delle fibre afferenti IA e II le informazioni vengono inviate fino ai centri spinali. I recettori di forza sono molti nel corpo e nei muscoli; registrano quale forza sta effettivamente compiendo il muscolo. Tutte queste informazioni servono per capire se il movimento viene eseguito come desiderato o deve essere modificato.

Un altro sistema di retroazione intrinseco è legato alle caratteristiche stesse del muscolo; il muscolo produce una forza che dipende dalle condizioni in cui esso stesso si trova (posizione e allungamento). C’è una compensazione automatica per cui se il carico esterno aumenta, anche la forza sviluppata dai muscoli aumenterà di conseguenza.

Il feedback invia dei comandi sulla base di come è realizzato il movimento; nello schema a lato l’input di tutto il modello è l’uscita desiderata, ossia come si vorrebbe che fosse il comando motorio. Il controllore del feedback attiva il sistema controllato (che è il sistema muscolare) tramite un comando di movimento. I sensori poi rilevano quanto è avvenuto, elaborando una variabile controllata o più di una. Le informazioni vengono valutate a livello di un comparatore; confrontando il segnale di feedback e l’input si ottiene una differenza che viene sfruttata ancora dal controllore di feedback. A mano a mano che si riduce l’errore, anche il segnale di controllo diminuisce. Questo controllo non sempre interviene accuratamente in condizioni dinamiche per cui si aggiungono anche componenti integrative relative alla posizione articolare, alla velocità e alla forza. L’obiettivo è quello di produrre un movimento simile a quello desiderato e con un minimo errore. Il sistema per attivarsi richiede comunque un transitorio rispetto allo stimolo; infatti, si attiva nel caso di risposte lente. Tutto questo sistema ha un difetto dato che in presenza di perturbazioni interviene per correggere il movimento ma non in tempo breve.

Questo è dovuto alla mancanza di ulteriori informazioni; ad esempio, quando abbiamo gli occhi chiusi e dobbiamo raccogliere in mano una pallina che cade. L’aggiunta delle informazioni provenienti dagli occhi aperti permette di prevedere la risposta. Si ricorda che, oltre al tempo di attivazione del sistema di feedback, c’è anche il tempo di attivazione e di contrazione dei muscoli da considerare, che dipende dalla strategia che viene elaborata a livello centrale (la decisione richiede del tempo per essere trasmessa nelle reti neurali). L’aggiunta di ulteriori informazioni consente l’attivazione del sistema di feed-forward che permette di anticipare la perturbazione in arrivo, anticipandone gli effetti. Questo viene sempre attivato dall’uscita desiderata ma riceve informazioni da altri sensori e recettori relative alle variabili di stato e al disturbo. Per stato si intende anche la capacità dei muscoli di sviluppare una forza sotto comando. Il sistema di feed-forward agisce direttamente sul sistema controllato (in condizioni balistiche, di movimenti estremamente rapidi che non consentono al sistema di feed-back di agire). Oppure, agisce sul sistema di feedback; il sistema di feed-back è prevalente nel caso di movimenti lenti, mentre è quasi assente nei movimenti rapidi. Questi modelli si basano anche sull’esperienza e sulla stima delle condizioni al contorno.

È importante considerare anche il comportamento degli attuatori; la forza è prodotta con un certo ritardo rispetto al segnale ricevuto tramite il reclutamento delle fibre muscolari attivate. La forza prodotta è graduata tramite il reclutamento delle fibre e dal fatto che le fibre producono dei twitch di forza (la forza non è costante ma si produce come un impulso). L’impulso nervoso di qualche millisecondo permette lo sviluppo della forza, che è un twitch della durata di poche decine di millisecondi. La forza totale è circa costante in ampiezza se si aumenta la frequenza dei twitch. Ogni twitch produce una risposta, la cui somma è una forza graduata e circa costante in funzione della frequenza di attivazione delle fibre. L’effetto meccanico della forza prodotta varia a seconda che il muscolo sia in condizioni isometriche o che si stia accorciando o allungando. Le curve in alto sono state ottenute ponendo un muscolo tra due morsetti, di cui uno fisso e uno che scorre; si misura la lunghezza del muscolo durante l’attività, mentre viene stimolato artificialmente per via elettrica e graduando la stimolazione.

Quando tutte le fibre sono contratte alla massima frequenza possibile si parla di contrazione tetanica: è associata alla forza massima prodotta. Si misura chiedendo di effettuare una massima contrazione volontaria. Si parla di livello di attivazione o di coefficiente di attivazione quando si vuole quantificare la contrazione muscolare in base alla massima possibile (il coefficiente 1 corrisponde alla contrazione tetanica); indica la forza realmente sviluppata rispetto alla massima. Il muscolo è contratto e produce forza in condizioni isometriche; variando la lunghezza, dopo un transit...