Appunti di Riabilitazione Motoria

Appunti di riabilitazione motoria

a cura di Andrea Armagno

Ingegneria Biomedica

A.A. 2017/2018

Indice

• Concetti introduttivi
• Meccanismi fisiologici di controllo motorio
• Richiami della struttura del SNC
• Formazione apparato neuromuscolare e plasticità
• COF e modelli muscolo-scheletrici
• Valutazione funzionale sistema muscolo-scheletrico
• Stimolazione elettrica funzionale (SEF)
• Applicazioni SEF
• Protesi dell’apparato locomotore
• Protesi arto superiore (vedere slide corso)
• Ortesi
• Carrozzine per disabili

Appendice raccolta domande d’esame, domande aperte svolte, crocette e qualche suggerimento.

Riabilitazione motoria

Argomenti della parte di riabilitazione motoria

Concetti introduttivi

In accordo con la definizione dell’Organizzazione Mondiale della Sanità, intendiamo per 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”. Connesse a questi concetti sono le definizioni di:

• Danno (impairment = difetto, anomalia, deficit derivante come postumo della malattia);
• Disabilità (disability = restrizione o impossibilità di svolgere una funzione con le modalità e con lo sforzo generalmente richiesti ai soggetti normali);
• Handicap (svantaggio derivante dall’interazione tra disabilità e richiesta o esigenza o aspettativa).

Da queste definizioni, emerge che l’handicap è una condizione soggettiva, che dipende dalle esigenze della persona disabile: una persona sulla sedia a rotelle è sicuramente disabile, ma potrebbe potenzialmente non avere un handicap se venissero eliminate tutte le barriere architettoniche e non le fosse precluso alcun aspetto della vita sociale.

Gli interventi possibili

Gli strumenti per la limitazione del danno sono di tipo medico, e sono connessi alla prevenzione e alla cura della malattia;

• Per il superamento della disabilità si usano 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). Esempio di protesi nel settore della riabilitazione motoria: l’arto artificiale; esempio di ortesi: la struttura meccanica di sostegno (tutore) per il paziente paralizzato; esempio di ausilio funzionale: la carrozzina (sedia a rotelle);
• Per la riduzione dell’handicap servono sia gli ausili, sia particolari misure di carattere ambientale e sociale (eliminazione di barriere architettoniche, organizzazione del lavoro, servizi).

L’integrazione sensori-motoria

Le interazioni uomo/ambiente possono essere classificate come ingressi (stimoli, in senso generico) e come uscite (attività motorie, in senso altrettanto generico, comprendenti per esempio anche la comunicazione verbale). Lo schema di Fig. 1 può costituire una base di riferimento per la definizione del settore di interesse della presente trattazione. L’uomo sarà considerato immerso in un ambiente caratterizzato da certe grandezze fisiche (e chimiche): campo di forze gravitazionali, pressione atmosferica, temperatura ambientale, radiazioni elettromagnetiche, suoni ecc.

Occasionalmente i valori di queste grandezze potranno cambiare sia per l’inserimento dell’uomo in ambienti diversi (es. microgravità), sia perché l’ambiente muta per processi propri, sia perché alcune grandezze fisiche vengono utilizzate da parte di altri individui come vettori di messaggi e informazioni. Le grandezze fisiche a cui il corpo umano è in qualche modo sensibile costituiscono gli stimoli, e possono essere caratterizzati, oltre che dal punto di vista della variabile fisica interessata, anche dal tipo di sistema sensoriale che sono in grado di attivare e dal contenuto di informazione.

Gli stimoli inviati al corpo umano devono innanzitutto venire rilevati dagli opportuni sistemi sensoriali, ed in seguito possono seguire diverse vie, non necessariamente alternative. Un primo effetto prodotto da stimoli esterni è l’attivazione di reazioni automatiche, a volte completamente inconsce, che spesso hanno la funzione di adattamento alle nuove condizioni ambientali, oppure di protezione del corpo da possibili danneggiamenti.

Da questo punto di vista possiamo interpretare non solo gli atteggiamenti evitativi (per esempio dal dolore) ma anche quelli di raggiungimento (per esempio di cibo, di piacere) come reazioni a stimoli che possono provenire sia dall’interno che dall’esterno del corpo. In molti casi gli stimoli sono organizzati in modo tale da contenere informazioni più o meno codificate (messaggi) e quindi sono in grado di attivare reazioni automatiche anche per via diversa da quella diretta, e che prevede un sistema di riconoscimento dell’informazione e l’attribuzione ad essa di un significato che abbia rilevanza per l’individuo (si pensi per esempio al riflesso pavloviano, di cui si può riconoscere l’esistenza anche in molte manifestazioni del comportamento umano).

L’informazione contenuta nello stimolo deve essere riconosciuta, memorizzata, confrontata con altre informazioni, rielaborata, inserita nel piano generale delle attività mentali e volontarie, e utilizzata per programmare, modificare o interrompere azioni orientate all’esterno. Tra le uscite di questi sistemi possiamo individuare atti motori in senso stretto (movimento di parti del corpo, azionamento di dispositivi, spostamento di oggetti ecc.) o atti motori finalizzati in realtà all’emissione di messaggi di comunicazione (per esempio la fonazione per quanto riguarda la comunicazione verbale).

Come si vede dallo schema di Fig. 1, gli atti motori possono essere prodotti anche come risultato di reazioni automatiche, le quali sono in grado di modificare anche numerosissime variabili all’interno del corpo. Gli atti motori in senso stretto possono poi essere finalizzati all’interazione con l’ambiente o essere orientati alla ricerca di informazioni.

In questo schema generale vediamo che esistono sostanzialmente due tipi di interfacce con l’ambiente: il sistema sensoriale ed il sistema motorio. Il sistema nervoso, nelle sue varie componenti, rimane il principale sistema di gestione dell’informazione e di coordinamento delle diverse attività.

Il ruolo della bioingegneria nel settore della riabilitazione

• Fornire strumenti e metodi per la quantificazione del danno e la valutazione funzionale;
• Fornire un supporto metodologico e tecnologico al processo di decisione e pianificazione dell’intervento;
• Studiare e migliorare i dispositivi per la riabilitazione.

Meccanismi fisiologici di controllo motorio

Il sistema di controllo motorio consiste in tre livelli di controllo, quello corticale, quello del tronco encefalico (brain stem), quello spinale, organizzati sia gerarchicamente sia in parallelo. In questo modo le aree motorie corticali possono influenzare il midollo spinale sia direttamente sia attraverso il sistema discendente che passa attraverso il tronco cerebrale.

Tutti i tre livelli del sistema motorio ricevono informazioni sensoriali e sono perciò sotto l’influenza di due sistemi sottocorticali indipendenti: i gangli della base ed il cervelletto. Sia i gangli della base, sia il cervelletto agiscono sulla corteccia attraverso nuclei di collegamento posti nel talamo.

Attraverso le vie piramidali si ha la possibilità di controllare il movimento volontariamente, o di influire volontariamente su di esso. Lesioni che avvengano a queste vie rendono impossibile l’esecuzione di movimenti volontari. Per la maggior parte dei movimenti che svolgiamo però utilizziamo il sistema extrapiramidale, che permette di utilizzare programmi motori e riflessi in modo coordinato. Lesioni di questa parte del sistema di controllo influiscono soprattutto sulla precisione e qualità del movimento.

Fondamentale per poter adattare le forze muscolari alla reale necessità è l’utilizzo di informazioni relative sia all’ambiente, in generale, sia alle condizioni del sistema muscoloscheletrico stesso. Queste ultime si possono sostanzialmente riferire al sistema propriocettivo o, più in generale somatoestesico, mentre le prime derivano da altri organi di senso, specialmente il sistema visivo, il sistema vestibolare, non escludendo il sistema uditivo e della percezione termica.

In modo schematico si può considerare l’interazione tra i vari sistemi come descritto nella figura seguente:

In questa figura si distingue tra centri spinali, intesi come le ultime stazioni di elaborazione prima dell’invio dei segnali ai muscoli, e centri superiori, nei quali avvengono le operazioni di più alto livello, quali: la presa di decisioni per effettuare una certa azione, la scelta di eventuali programmi motori, il ricorso alla memoria e all’esperienza (apprendimento), l’elaborazione di informazioni ambientali provenienti dai vari telerecettori (vista, udito), dal sistema vestibolare, da altri sistemi sensoriali.

Il collegamento tra centri superiori e centri spinali è bidirezionale, in quanto non solo si propagano segnali dall’alto al basso, ma anche molte informazioni periferiche, parzialmente elaborate nei centri spinali, si propagano ai centri superiori. A livello spinale, le principali uscite sono i segnali che vanno alle placche motrici dei muscoli mediante le fibre efferenti dei motoneuroni alfa. Il risultato dell’eccitazione dei muscoli è lo sviluppo di forze che vanno ad agire sul sistema meccanico muscoloscheletrico.

Queste forze vengono monitorate dal sistema di recettori muscolo-tendinei (organi tendinei del Golgi) che inviano segnali al midollo spinale lungo le fibre afferenti IB. L’informazione relativa alla lunghezza dei muscoli viene raccolta da recettori specifici di lunghezza e variazione di lunghezza muscolare, i ‘fusi neuromuscolari’, che inviano segnali al midollo spinale mediante le fibre IA e II. Da notare che la cinematica articolare risultante comporta automaticamente la modifica delle forze generate dai muscoli anche senza un intervento del sistema neurale, in quanto le forze sono legate alla cinematica muscolare dalle ben note relazioni forza-lunghezza e forza-velocità. Questo legame è rappresentato nella figura precedente dalla linea di retroazione a tratto sottile.

Infine il movimento ottenuto potrà anche essere percepito attraverso la vista, il sistema vestibolare e altri sistemi e costituire un’informazione da elaborare ad alti livelli in ordine alla possibilità di modificare l’azione, arrestarla, o sostituirla con un’altra.

Schemi generali di controllo ad anello chiuso: feed-back e feed-forward

Sia nei semplici riflessi spinali sopra descritti, sia nei più complessi sistemi sopraspinali e corticali, abbiamo visto che le afferenze sensoriali e le retroazioni in generale giocano un ruolo fondamentale. Questo perché il sistemi discendenti che regolano il comando motorio devono potersi modificare in base al risultato ottenuto e alle eventuali resistenze che il movimento incontra, o alle perturbazioni che possono intervenire.

Solo in particolari casi, di movimento molto veloci, detti ‘balistici’, il sistema di controllo invia comandi motori ai muscoli secondo un programma predefinito, senza utilizzare i segnali di retroazione, ed è necessario che sia così perché i segnali sensoriali non avrebbero il tempo di arrivare dalla periferia al sistema nervoso centrale e venire elaborati e produrre una modifica del comando motorio nel breve tempo di esecuzione del gesto. Del resto anche i muscoli hanno tempi di latenza per la generazione di forza non trascurabili.

In genere si considera che una risposta muscolare ad uno stimolo visivo richieda circa 150-180 ms; una risposta ad uno stimolo cutaneo circa 80-100 ms; il semplice percorso dell’arco riflesso da stiramento richiede per il muscolo Soleo circa 50 ms (latenza del riflesso H), ma certamente molto di più perché l’effetto meccanico si produca in modo consistente. Anche nei movimenti balistici comunque una retroazione è sempre presente, anche se non utilizzata in tempo reale, e serve per adattare o modificare il programma motorio di volta in volta quando viene ripetutamente utilizzato. Molte di queste modifiche poi vengono memorizzate, e progressivamente si può ottenere un miglioramento nell’esecuzione del gesto. Questo processo viene chiamato apprendimento.

Si pensi per esempio all’esecuzione di un gesto sportivo come colpire la pallina con una racchetta da tennis. Nella maggior parte dei casi il sistema invece utilizza in tempo reale le informazioni raccolte dai recettori periferici. Si pensi alla prensione di un oggetto posto su un tavolo. Il sistema visivo regola l’avvicinamento della mano all’oggetto e ne controlla l’apertura in modo che le dita non urtino l’oggetto. Quando le dita si chiudono i sensori cutanei dei polpastrelli avvertono dell’avvenuto contatto. A quel punto si può supporre che il sistema passi da un ‘controllo di posizione’ a un ‘controllo di forza’.

Infatti l’azione dei muscoli non è più, in questo momento, finalizzata alla chiusura delle dita, quanto invece alla creazione di una forza di prensione necessaria per sollevare l’oggetto, sufficiente ad evitarne lo scivolamento rispetto alle dita (particolari sensori di forze tangenziali sono presenti nei polpastrelli), e non tanto grande da produrne la rottura, nel caso si tratti di un oggetto fragile. Poi si può supporre che il sistema di controllo intenda realizzare una certa traiettoria lungo la quale trasportare l’oggetto. Se il peso dell’oggetto non è noto, le forze muscolari necessarie potranno essere predeterminate in parte sulla base di una esperienza precedente, ma certamente lo scostamento della traiettoria reale da quella desiderata costituirà un parametro sulla base del quale modificare la forza esercitata dai muscoli.

È chiaro che, seppure il principio della retroazione sia semplice in teoria, nella pratica il funzionamento di un sistema fisiologico di controllo motorio è altamente complicato dal fatto che esistono molti ingressi e molte variabili da controllare, i vari sistemi, sensoriali, muscolari, articolari, non hanno caratteristiche lineari e sono anche spesso variabili nel tempo. Addentrarsi nello studio di questi sistemi è estremamente arduo, e richiede di prendere in considerazione anche ulteriori aspetti di carattere psicofisico e cognitivo.

Ci limiteremo qui a considerare due semplici schemi di controllo motorio solo per fare qualche considerazione di principio sul loro funzionamento. Si tratta di quello a semplice retroazione, cosiddetto a feed-back e quello in cui la predizione delle perturbazioni esterne viene utilizzata per un adattamento anticipatorio, il cosiddetto feed-forward.

Il controllo a feed-back

In un sistema di controllo a feed-back un segnale di retroazione viene confrontato con un segnale di riferimento mediante un comparatore. Nel raggiungimento lento di un oggetto, il braccio costituisce il sistema controllato mentre la posizione desiderata del braccio è il riferimento. La differenza tra la posizione del braccio e il riferimento dovrebbe essere in ogni istante nulla affinché l’azione sia svolta correttamente. Se la mano è inaspettatamente perturbata, un segnale di errore viene mandato al controllore, e quindi viene generato un comando che tende a correggere la traiettoria e permette di continuare il movimento nella direzione voluta.

Sistema controllato: struttura muscolo-scheletrica dotata di massa

Segnale di ingresso al sistema controllato: comandi motori diretti agli attuatori muscolari

Sensori: propriocettori (muscolari, articolari, vestibolari)

Il controllo a feed-forward

Il controllo a feed-forward è essenziale per i movimenti rapidi, e si basa sull’informazione anticipata per aggiustare le variabili controllate. Nell’acchiappare una palla in arrivo la conoscenza anticipata della traiettoria della palla e della posizione della mano sono informazioni anticipate ricevute dai sensori e inviate al controllore di feed-forward. Sulla base di queste informazioni il controllore di feed-forward aggiusta il guadagno del controllore di feed-back e invia segnali aggiuntivi al sistema per anticipare le attività muscolari in grado di ridurre le perturbazioni e le deviazioni rispetto alla traiettoria o alla posizione della mano desiderata.

Per fare questo il controllore di feed-forward deve sapere interpretare le informazioni anticipate, per esempio quelle visive, per prevedere la forza muscolare richiesta per sostenere l’impatto della palla. Ciò richiede una rappresentazione interna della dinamica della palla e delle caratteristiche del sistema muscolo-scheletrico, quello che si chiama: modello interno del sistema.

Sistema controllato: struttura muscolo-scheletrica dotata di massa

Segnale di ingresso al sistema controllato: comandi motori diretti agli attuatori muscolari

Sensori: sia propriocettori (muscolari, articolari, vestibolari) sia esterocettori (visivi, acustici, tattili)

Il feed-back entra in azione per posizionare la mano appropriatamente dopo che la palla è stata catturata. Il controllo feed-forward tiene anche in osservazione il sistema per quanto riguarda cambiamenti di proprietà che possono avvenire col tempo, come per esempio l’affaticamento, mediante meccanismi di controllo adattativo.