Un team dell'Università dello Utah ha costruito un esoscheletro robotico leggero per l'anca che aiuta i sopravvissuti a un ictus a camminare con meno sforzo. I primi risultati mostrano che può ridurre significativamente il dispendio energetico di ogni passo.
Per milioni di sopravvissuti a un ictus, semplicemente camminare attraverso una stanza può essere come scalare una collina con uno zaino pesante sulla schiena. Un nuovo esoscheletro robotico per l'anca, sviluppato dagli ingegneri dell'Università dello Utah, mira ad alleggerire questo carico.
In uno studio pilota pubblicato nella rivista Nature Communications, i ricercatori del John and Marcia Price College of Engineering e del College of Health hanno dimostrato che un esoscheletro portatile da 5.5 libbre può ridurre di quasi il 20% l'energia necessaria per camminare per le persone affette da emiparesi, una conseguenza comune dell'ictus che indebolisce e irrigidisce un lato del corpo.
Il dispositivo, indossato intorno ai fianchi e fissato alle cosce, utilizza motori alimentati a batteria per aiutare a muovere ogni gamba a ogni passo. Un sistema di controllo integrato rileva il movimento dell'utente in tempo reale e fornisce una spinta quando l'anca deve sollevare la gamba o spingerla, rendendo ogni passo più efficiente.
L'emiparesi colpisce circa l'80% dei sopravvissuti a un ictus ed è una delle principali cause di disabilità negli Stati Uniti. Poiché un lato del corpo è più debole, l'altro deve lavorare di più per compensare. Questo squilibrio può rendere la camminata più dispendiosa in termini di energia del 60% rispetto a chi ha un'andatura normale, con conseguente rallentamento della velocità, affaticamento, dolore e un rischio maggiore di cadute.
"Migliorare la qualità della vita dopo un ictus è una delle maggiori sfide irrisolte nel settore sanitario odierno", ha affermato in un comunicato stampa Tommaso Lenzi, autore senior dello studio e professore associato presso il Dipartimento di Ingegneria Meccanica. "Stiamo ora dimostrando che la robotica può avere un impatto misurabile in questo ambito".
L'approccio del team dello Utah si distingue dai precedenti studi incentrati sulla caviglia. Molti ricercatori hanno cercato di risolvere i problemi di deambulazione post-ictus con tutori per caviglia motorizzati, perché problemi come il piede cadente e la scarsa spinta alla caviglia sono facilmente visibili. Ma questi dispositivi non hanno prodotto i risultati sperati.
"Gli esoscheletri portatili per caviglia non sono riusciti a ridurre l'energia necessaria ai pazienti colpiti da ictus per camminare, quindi abbiamo proposto un approccio diverso", ha aggiunto l'autore principale Kai Pruyn, uno studente laureato presso l'HGN Lab for Bionic Engineering di Lenzi.
Pruyn e colleghi hanno scoperto che quando la caviglia è debole, le persone spesso compensano lavorando molto di più i muscoli dell'anca, bruciando così più energia. Questa intuizione li ha spinti a progettare un dispositivo incentrato sull'anca.
"I pazienti con debolezza alla caviglia spesso compensano con le articolazioni dell'anca, il che richiede maggiore energia. Il nostro obiettivo era sviluppare un esoscheletro per l'anca potente e completamente portatile", ha aggiunto Pruyn. "Gli esoscheletri per l'anca possono anche essere estremamente leggeri perché vengono indossati più vicino al baricentro dell'utente e richiedono una coppia inferiore rispetto agli esoscheletri per la caviglia. Abbiamo scoperto che l'assistenza dell'anca compensava efficacemente la ridotta propulsione della caviglia".
Il laboratorio di Lenzi è noto per la robotica indossabile, tra cui Gamba bionica dello Utah, nominato una delle migliori invenzioni dalla rivista Time nel 2023. Altri gruppi hanno testato gli esoscheletri dell'anca su volontari sani e hanno dimostrato che possono migliorare l'efficienza della camminata. Lo studio dello Utah è il primo a dimostrare chiari benefici per le persone con emiparesi dopo un ictus.
Per testare il nuovo dispositivo, i ricercatori hanno portato in laboratorio sette pazienti con emiparesi e sopravvissuti a un ictus. Utilizzando telecamere di precisione con motion capture e un tapis roulant strumentato, hanno registrato il modo in cui ogni partecipante camminava con e senza l'esoscheletro. I volontari indossavano anche un'apparecchiatura che stimava quante calorie bruciavano in ciascuna condizione.
Da queste misurazioni, il team ha calcolato il costo metabolico della camminata. Con l'esoscheletro attivato, il dispositivo ha svolto quasi il 30% del lavoro normalmente svolto dalle articolazioni dell'anca. Tale supporto si è tradotto in una riduzione del 18% del costo energetico complessivo della camminata.
Il coautore Bo Foreman, professore di fisioterapia e preparazione atletica, ha paragonato la differenza a quella che si verifica quando si libera un carico pesante.
"Per una persona con un'andatura sana, sarebbe come togliersi uno zaino da 30 chili", ha affermato nel comunicato stampa. "Per una persona con emiparesi, è una differenza che cambia la vita".
I partecipanti allo studio hanno percepito un cambiamento nei loro movimenti quotidiani. Lidia, una sopravvissuta a un ictus, ha descritto quanto si sentisse limitata prima di provare il dispositivo. "All'inizio non riuscivo a muovere la gamba", ha detto. "Ma con il dispositivo, ora va molto meglio".
"All'inizio non riuscivo a muovere la gamba", ha detto Lidia, una delle partecipanti, sopravvissuta a un ictus. "Ma con il dispositivo, ora va molto meglio".
Suo marito Marcellus notò che i benefici persistevano anche quando non indossava l'esoscheletro.
"In un certo senso, l'esoscheletro svolgeva parte di quel movimento per lei", ha detto. "Più lo usavamo, meglio stava quando non lo usava".
Questo tipo di ricaduta suggerisce una potente possibilità: rendendo la camminata più facile e simmetrica, l'esoscheletro potrebbe non solo assistere il movimento nel momento, ma anche aiutare a rieducare il sistema nervoso nel tempo. Mentre lo studio attuale si è concentrato sul risparmio energetico immediato, ricerche future potrebbero esplorare se l'uso regolare porti a miglioramenti duraturi in forza, coordinazione e sicurezza.
Il dispositivo stesso è progettato pensando alla vita quotidiana. Con un peso di soli 5.5 kg e un posizionamento vicino al baricentro, è molto più leggero e meno ingombrante di molti esoscheletri precedenti. I motori e il sistema di controllo sono completamente portatili, quindi gli utenti non sono vincolati a una fonte di alimentazione o ad apparecchiature di laboratorio.
Tuttavia, c'è ancora molto lavoro da fare prima che un sistema del genere possa essere prescritto come un tutore o un deambulatore. I prossimi passi del team di Lenzi includono testare l'esoscheletro dell'anca al di fuori del laboratorio per garantirne la sicurezza e l'efficacia a casa e nella comunità. Ciò significa perfezionare la meccanica e il software di controllo in modo che il dispositivo possa gestire sfide del mondo reale come girarsi, salire le scale, alzarsi da una sedia e muoversi su terreni irregolari.
Il laboratorio sta collaborando con aziende leader nel settore delle protesi e degli ortesi per trasformare il prototipo in un prodotto che i medici possano adattare e adattare ai singoli pazienti. Questo tipo di collaborazione sarà fondamentale per rendere la tecnologia accessibile, durevole e facile da usare.
L'obiettivo finale del team va oltre l'ingegneria.
"Il nostro obiettivo è garantire che un ictus non definisca i limiti di dove una persona può andare o di come può vivere", ha aggiunto Lenzi.
Se i primi risultati saranno confermati in studi più ampi e a lungo termine, gli esoscheletri leggeri per l'anca potrebbero diventare un nuovo strumento nella riabilitazione post-ictus, aiutando i sopravvissuti a rinunciare a quello zaino invisibile da 30 libbre per una vita più libera e indipendente.
Fonte: University of Utah