Analisi del cammino su treadmill durante l’interazione con un esoscheletro di arto inferiore = Analysis of walking on a treadmill during interaction with a lower limb exoskeleton

L’obiettivo del presente lavoro di tesi è quello di valutare le caratteristiche biomeccaniche del cammino di soggetti sani durante l’interazione con un esoscheletro per riabilitazione dell'arto inferiore, il sistema Lokomat (Hocoma, Svizzera), considerato il gold standard nel settore, per analizzare la alterazioni rispetto al cammino libero in presenza di diversi livelli di assistenza e valutare la trasparenza del robot, ovvero la sua capacità di non alterare il cammino del soggetto. L’attività sperimentale è stata svolta in collaborazione con il laboratorio di Neuroriabilitazione Robotica, presso l’Unità Operativa Complessa Neuroriabilitazione 1 della Fondazione Santa Lucia a Roma. Ad una fase preliminare di analisi della letteratura scientifica, per indagare quali fossero i metodi e i criteri di valutazione della trasparenza più diffusi ed i risultati più consolidati, è seguita la definizione di un protocollo sperimentale e la preparazione del setup di misura che include, oltre al Lokomat, la scheda di acquisizione dati National Instruments USB 6218 (National Instruments, USA), il sistema di sensori inerziali MTw Awinda (Xsens, Olanda) e il sistema di sensori elettromiografici Delsys Trigno Wireless System (Delsys, USA). Tale protocollo prevedeva la successione di dieci blocchi sperimentali: otto di essi consistevano nel cammino assistito dal robot e due nel cammino libero su treadmill. I primi otto blocchi sono definiti mediante le combinazioni di due parametri: lo sgravio del peso corporeo (0% e 30%) e la velocità del treadmill (1, 1.5, 2, 2.5 km/h). Ciascun blocco sperimentale è costituito da quattro trial con diversi livelli di assistenza (100%, 75%, 50%, 25%). Gli ultimi due blocchi, in assenza di robot, prevedevano le due varianti nello sgravio del peso e le quattro varianti per i valori di velocità del treadmill come per i precedenti blocchi. Sono stati acquisiti, su un soggetto sano, dati relativi alla cinematica e alla cinetica dei giunti robotici, alla cinematica dei giunti umani nel piano sagittale, ai parametri spaziotemporali del cammino e all’attività elettromiografica degli otto muscoli degli arti inferiori maggiormente responsabili del movimento nel piano sagittale durante il cammino. L’analisi dei dati è stata effettuata in ambiente MATLAB ed è consistita in una suddivisione dei segnali registrati per i dieci blocchi sperimentali nei rispettivi quattro trial. Tramite l’identificazione dell’istante di heelstrike è stato poi possibile segmentare ogni segnale in cicli del cammino. Dai risultati è emerso che le variazioni del livello di assistenza del robot non sono accompagnate da variazioni evidenti nelle curve di cinematica articolare dei giunti attuati (anca e ginocchio), mentre è stato possibile osservare delle differenze più marcate per il giunto non attuato della caviglia. Anche i range of motion di anca e ginocchio non hanno mostrato sostanziali differenze al variare del livello di assistenza, ma sono risultati inferiori nelle condizioni di cammino con robot rispetto al cammino libero. Inoltre, si è osservata una generale riduzione dei range of motion dei giunti umani rispetto ai giunti del robot.