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Progetto ed ottimizzazione di una macchina pneumatica per risonanza magnetica funzionale

Informazioni tesi

  Autore: Federico Palmisano
  Tipo: Laurea liv.I
  Anno: 2007-08
  Università: Politecnico di Torino
  Facoltà: Ingegneria
  Corso: Ingegneria meccanica
  Relatore: Guido Belforte
  Lingua: Italiano
  Num. pagine: 180

La presente tesi studia l’ottimizzazione di un dispositivo atto a compiere riabilitazioni motorie, in pazienti colpiti da traumi cranici, in concomitanza con la risonanza magnetica funzionale, verificandone quindi l’effetto, sulla corteccia cerebrale, della riabilitazione neuromotoria .
Secondo la teoria della neuroplasticità, peraltro accettata dai neurologi solo da pochi decenni, il cervello è in grado di “imparare” anche in età adulta e in seguito a lesioni, se sufficientemente e opportunamente stimolato. Sono stati quindi sviluppati i primi dispositivi in grado di simulare i moti fisiologici cercando di ripristinare così funzioni motorie e cognitive su pazienti traumatizzati cranici .
Grazie a un progetto di collaborazione del Dipartimento di Meccanica del Politecnico di Torino e l’Ospedale Koelliker di Torino si è monitorata, attraverso la tecnica della risonanza magnetica funzionale, l’attività cerebrale durante sessioni successive di riabilitazione per valutare i reali effetti, a livello corticale, della riabilitazione neuromotoria tramite strumenti robotizzati che impongono un moto fisiologico. Per fare ciò si è utilizzato un dispositivo che simulasse delle sessioni riabilitative, imponendo ripetutamente un movimento a un arto: la presente tesi ha il fine di ottimizzare l’apparecchiatura esistente modificandone la struttura .

Nel primo capitolo si propone una breve analisi della fisiologia del sistema motorio, con particolare riferimento ai collegamenti funzionali tra il sistema nervoso e quello muscolare per poter meglio comprendere gli effetti delle lesioni cerebrali sulla motilità.
Segue, con il secondo capitolo, un’introduzione all’esame di risonanza magnetica funzionale e un’esposizione della teoria della neuroplasticità, spiegando i fenomeni che avvengono nelle aree cerebrali lese e in quelle circostanti per rendere possibile il recupero neurologico. Viene poi preso in considerazione lo stato dell’arte per quanto riguarda lo sviluppo di prototipi per il movimento passivo e attivo di parti del corpo umano. Di ogni dispositivo si sono analizzati il funzionamento, la logica di controllo e i risultati ottenuti in seguito a sperimentazione su pazienti.
Il capitolo successivo riguarda la presentazione del problema. Partendo dall’anatomia del piede si è vista la relazione tra il concetto di universalità e le misure antropometriche. Così facendo si è imposto al piede un moto fisiologico come quello di flesso-estensione. Vengono esposte infine le specifiche che il dispositivo deve rispettare.
Nel quarto capitolo viene presentata una analisi critica dei problemi riscontrati nella precedente tipologia di macchina. Si è scelta l’energia pneumatica per l’attuazione, sia per la sua reperibilità in ambito ospedaliero sia perché essa permette di realizzare i componenti a contatto con il dispositivo in materiali compatibili. La compatibilità dei materiali con l’apparecchiatura per la risonanza magnetica è infatti una caratteristica indispensabile per il dispositivo da realizzare.
La precedente macchina viene presentata sia come funzionamento globale, che nello specifico di ogni componente. Sono quindi esposti i parametri utilizzati nella scelta e nella realizzazione delle parti che compongono il prototipo tali da rendere il dispositivo “universale” (con “universale” si intende la possibilità di essere indossato da persone con dimensioni anatomiche diverse).
Il quinto capitolo riguarda la nuova macchina . L’evoluzione della macchina segue l’esposizione delle varie proposte, fino ad arrivare alla versione definitiva. Anche in questo caso l’energia scelta è quella pneumatica. Nel capitolo viene dimensionato e posizionato l’attuatore e viene pensata una soluzione per il problema dell’ ottimizzazione di una regolazione verticale, chiesta nelle specifiche.
Il capitolo successivo riguarda il complessivo della nuova macchina. I materiali dei componenti scelti sono compatibili con la risonanza magnetica. Come nel capitolo riguardante la precedente apparecchiatura, anche in questo ogni componente viene analizzato singolarmente e in visione globale.
Nell’ultimo capitolo viene analizzata una possibile evoluzione del progetto, apportando alcune modifiche. Infatti, essendo il prototipo in fase di costruzione, non è stato possibile verificarne il funzionamento per gli scopi previsti. In particolare, si dovranno effettuare ulteriori studi di compatibilità una volta inserito il dispositivo nell’apparecchiatura di risonanza magnetica. Saranno inoltre necessarie delle prove sperimentali su soggetti sani.
La prospettiva di un risultato positivo derivante dalla sperimentazione futura porta all’attesa e alla speranza di una collaborazione più stretta e continua con la struttura ospedaliera al fine di migliorare ulteriormente il dispositivo e renderlo infine un prodotto certificato e comunemente utilizzato nello studio delle attivazioni cerebrali.

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16 II Capitolo Risonanza magnetica funzionale: stato dell’arte La risonanza magnetica riveste, nei fini della presente tesi, il compito di ri-attivazione cerebrale attraverso l‟ausilio di macchine. In letteratura non si sono trovati articoli approfonditi a riguardo: in questo capitolo verrà esposto un quadro completo – per quanto possibile – dei dispositivi meccanizzati esistenti utilizzati nello studio delle attivazioni cerebrali. Nel primo paragrafo si descrive il funzionamento della risonanza magnetica, come questa interagisce con il corpo umano e come venga utilizzata nella ricerca medica. In particolare si descrivono le caratteristiche richieste al dispositivo evidenziandone particolarità, pregi e difetti. Saranno in seguito descritte le diverse tecniche esistenti di analisi dell‟attivazione cerebrale utilizzate su individui che hanno perso le funzionalità motrici in seguito a traumi cerebrali: tutte le metodologie sono efficaci grazie alle caratteristiche di adattabilità del sistema nervoso centrale. Si presentano poi i principali dispositivi esistenti, sia sul mercato che in fase di ricerca: le descrizioni hanno il solo obiettivo di spiegare il funzionamento di ogni sistema (per dettagli ulteriori si rimanda alla bibliografia). Per i dispositivi di cui si è trovata documentazione sufficiente è stato dedicato uno spazio al controllo e alla regolazione: la sicurezza e il controllo sono fattori importanti su qualsiasi apparecchiatura, ma in modo particolare su macchine che lavorano a contatto diretto con gli arti di persone che hanno subito traumi cranici (o, più in generale, lesioni al sistema nervoso centrale) ed inoltre, sicurezza e controllo, rivestono importanza notevole nell‟ambito degli studi di ingegneria meccanica.

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