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Laboratorio di Analisi del movimento e valutazione funzionale protesi

Presentazione

Il Laboratorio di Analisi del Movimento dell’Istituto Ortopedico Rizzoli è stato fondato nel 1989 come unità di ricerca indipendente, con lo scopo di eseguire analisi strumentali quantitative del movimento umano, in particolare dell’apparato locomotore. Il laboratorio, sempre in stretta collaborazione con la Clinica Ortopedica e Traumatologica e le altre unità di assistenza e ricerca del Rizzoli, è specializzato in analisi del cammino di soggetti normali e patologici. In particolar modo vengono frequentemente analizzati pazienti prima o dopo interventi di chirurgia ortopedica, e a seguito di programmi di riabilitazione dell’apparato muscolo scheletrico.

L'Ing. Alberto Leardini, direttore del laboratorio, con alcuni componenti della sua équipe
Un team di ingegneri, fisiatri, e chirurghi lavora sinergicamente su svariati progetti di scienza del movimento e studi clinici, anche assistendo e supervisionando le attività di ricerca di studenti dalla Facoltà di Ingegneria, Medicina e Chirurgia, nonché dalle Scuole di Specializzazione in Ortopedia, Medicina Fisica e Riabilitativa, Podologia, Tecniche Ortopediche e Fisioterapia. Numerose sono le collaborazioni internazionali con rinomati Istituti di ricerca, Università e Aziende.

Il laboratorio utilizza strumenti all’avanguardia per misurazioni oggettive del movimento umano, come la stereofotogrammetria o i sensori inerziali (IMU), e delle forze interne ed esterne generate durante il movimento, attraverso pedane di forza e di pressione e sistemi elettromiografici di superficie (EMG). Questi strumenti consentono di ottenere un’accurata analisi della cinematica e della dinamica dei segmenti del corpo, e delle relative articolazioni coinvolte nel compito motorio che si sta valutando.
   
Le attività del laboratorio sono focalizzate su tre aree di ricerca:

  • Analisi cinematica e dinamica del movimento umano;
  • Protesi articolari;
  • Ortesi plantari e calzature.

Gli aspetti del movimento che sono spesso sviluppati durante la pratica in laboratorio implicano ricerca metodologica, biomeccanica di base e ricerca clinica. Il laboratorio lavora attivamente perciò sia nel design che nel disegno e validazione di protocolli sperimentali standardizzati per l’analisi del cammino, sia nella valutazione clinica di pazienti ortopedici e neurologici. Questi sono inviati al Laboratorio nell’ambito della collaborazione clinica, di progetti di ricerca, o di commissioni industriali.

Uno dei principali scopi del Laboratorio di Analisi del Movimento è quello di capire completamente le ragioni del successo o del fallimento di interventi di chirurgia ortopedica o di trattamenti riabilitativi. Queste ragioni devono essere identificate e distinte in ogni tipo di impianto, in differenti tecniche chirurgiche, e in ogni singolo paziente. Questo è di grande beneficio per il miglioramento delle tecniche utilizzate al momento e per la progettazione di nuove. È ormai noto che il reale risultato di queste operazioni deve essere valutato direttamente sui pazienti, prima e dopo l’impianto e nelle attività della vita quotidiana, in aggiunta ai test standard in-vitro prima dell’impianto.

La missione del Laboratorio di Analisi del Movimento e Valutazione Clinica-Funzionale Protesi si realizza attraverso le due seguenti azioni:

  • integrazione di ricerca e assistenza sanitaria;
  • integrazione di ricerca e insegnamento. 

Integrazione di ricerca e assistenza sanitaria

Gli obiettivi generali che il laboratorio ha lo scopo di raggiungere sono i seguenti:

  • essere un centro di riferimento per la valutazione funzionale di pazienti con malattie dell’apparato locomotore, con fini diagnostici e terapeutici;
  • identificare in modo chiaro, anche nelle prime fasi della sperimentazione clinica, i singoli parametri numerici che possano predire l’eventuale fallimento degli impianti protesici; questi parametri, raccolti durante l’esame del paziente, sono basati su misure da analisi del movimento, o il risultato di complesse analisi biomeccaniche tramite simulazioni e modelli al computer;
  • essere un centro di riferimento per la definizione e sperimentazione di protocolli di analisi del movimento, e per la loro applicazione in altri contesti clinici, sia ortopedici che riabilitativi.

Integrazione di ricerca e insegnamento

Le continue interazioni con studenti di medicina e bioingegneria consentono una forte sinergia anche tra ricerca ed insegnamento. Il laboratorio è il posto ideale per studi scientifici e collaborazioni con istituti pubblici e privati anche su scala internazionale, per lo sviluppo della ricerca biomedica secondo le linee guida stabilite. La disponibilità di strumenti altamente avanzati, e l’interazione continua del team di ricerca con la comunità scientifica nazionale ed internazionale, supporta l’arricchimento di materiale didattico per i programmi di medicina, bioingegneria e fisioterapia.

Attività di ricerca principali:

Parole chiave (generali): biomeccanica della locomozione, recupero funzionale, dispositivo medico, protesi articolari, progettazione – valutazione – validazione - efficacia, rotazioni e momenti articolari, brevetti, studi clinici, modelli muscoloscheletrici, simulazioni tramite modellazione computazionale, tecnologia Cloud, chirurgia ortopedica, piede piatto, invecchiamento, trattamenti personalizzati, prestazioni sportive, bioingegneria, riabilitazione fisica, medicina del lavoro.

Attività di ricerca

Attività di ricerca
Analisi cinematica e dinamica del movimento umano

Parole chiave: analisi del cammino, stereofotogrammetria, baropodometria, dinamometria, elettromiografia, sensori inerziali, validazione strumentale, progettazione del protocollo di misura, prestazioni sportive, recupero funzionale, ergonomia, biofeedback, riabilitazione/esercizio a domicilio.

Il laboratorio progetta, testa e utilizza tecnologia all’avanguardia nel campo dell’analisi del cammino. Un’accurata strumentazione permette di effettuare l’acquisizione in maniera non invasiva, durante le normali attività della vita quotidiana, della posizione tridimensionale di piccoli marcatori attaccati ai segmenti corporei, della forza di reazione al suolo e dell’attività muscolare, da cui sono calcolate cinematica e dinamica delle principali articolazioni. I compiti motori analizzati includono, ma non sono limitati a: cammino; salita e discesa dalle scale; seduta e alzata dalla sedia; salita e discesa da un gradino; accovacciamento; salto, etc.. Sono inoltre analizzati i più comuni esercizi di riabilitazione dell’arto inferiore e superiore.
Gli strumenti disponibili in laboratorio comprendono:

  • 14 telecamere a infrarossi ad alta frequenza per l’analisi cinematica (Vicon; OptiTrack);
  • 2 telecamere analogiche ad alta frequenza;
  • 16 canali EMG wireless di superficie (Cometa);
  • 2 pedane di forza (Kistler);
  • solette di pressione (Pedar);
  • pedana di pressione (BTS);
  • set di sensori inerziali IMU (CoRehab);
  • scanner (Delcam).

Tutti gli strumenti sono o possono essere sincronizzati temporalmente, al fine di ottenere l’integrazione completa di tutte le misure. Le analisi sono minimamente invasive, e vengono eseguite in tempi brevi da uno staff esperto senza alcun rischio associato al soggetto.
Il team di ingegneri e clinici del Laboratorio ha progettato e validato nuovi protocolli e corrispondenti modelli biomeccanici per l’analisi cinematica dei segmenti corporei. Alcuni di questi protocolli sono diventati uno standard all’interno della comunità scientifica internazionale, che ne ha apprezzato accuratezza, ripetibilità e facilità di comprensione clinica. Queste tecniche di analisi sono state applicate con successo a diverse parti del corpo umano, quali l’arto superiore, il tronco, il rachide e il piede, e su soggetti patologici e normali, prima e dopo trattamenti. Questi possono essere chirurgici, farmacologici, fisici, e anche ortesici tramite ortesi articolari per caviglia, ginocchio, colonna, spalla, gomito, polso e plantari.

 

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Attività di ricerca
Protesi articolari: progettazione e valutazione

Parole chiave: osteoartrosi, artrite reumatoide, sostituzioni articolari parziali o totali, protesi di anca/ginocchio/caviglia, ricostruzione di legamenti, tecniche chirurgiche, guide di preparazione ossee, strumentazione specifica del paziente, pianificazione pre-operatoria, immagini biomedicali, modelli ossei computerizzati, progettazione di protesi, protesi personalizzate, stampa 3D per materiali plastici e metallici, mobilità e stabilità articolare, valutazione sperimentale, in-silico/in-vitro /in-vivo, mobilità e stabilità articolare, navigazione chirurgica, chirurgia robotica, mobilizzazione protesica.

Modellazione di componenti di protesi articolari

La comprensione della meccanica delle articolazioni umane, e le relative progettazioni di sostituzioni protesiche sono supportate da modelli muscolo-scheleto-legamentosi computerizzati che sono stati sviluppati in laboratorio insieme alle tecniche di misurazioni strumentali, in particolare per le articolazioni di particolare complessità cinematica, come il ginocchio e la caviglia. Questi modelli possono simulare gli effetti di traumi o interventi chirurgici, e fornire un utile ausilio anche per l’interpretazione delle misurazioni relative. Inoltre, i modelli articolari cinematici e dinamici hanno contribuito notevolmente alla progettazione di nuove protesi articolari, per la prima volta fondata su una conoscenza dettagliata del complesso meccanismo osteo-legamentoso che guida la mobilità di queste articolazioni dell’arto inferiore. I primi prototipi di componenti protesiche articolari sono naturalmente testati tramite esperimenti in-vitro, per valutare la loro capacità di ripristinare la normale funzione articolare. In particolare è stata progettata, realizzata e testata in Laboratorio una protesi di caviglia (BOX Ankle, MATortho, UK), che attualmente viene utilizzata in numerosi centri ortopedici internazionali con risultati clinici molto soddisfacenti. Inoltre sono in fase di sviluppo e prova diversi nuovi prototipi per la sostituzione totale del ginocchio e della caviglia. Una più recente attività riguarda la progettazione e la prova di protesi su misura, da impiantare su pazienti che necessitano una sostituzione articolare di particolare specificità. Per fare questo vengono utilizzate le moderne tecniche di stampa 3D.  

Navigazione chirurgica

Questa moderna tecnica è un importante strumento al servizio dei chirurghi durante gli interventi, consentendo un’esecuzione più precisa della maggior parte delle azioni chirurgiche (allineamento delle componenti, preparazione dell’osso, ecc.) migliorando la visione diretta standard del paziente con nuove informazioni geometrico-anatomo-funzionali, in sala operatoria in tempo reale. Ciò si ottiene attraverso un semplice set di marcatori sterilizzabili rigidamente collegati con i segmenti ossei in preparazione e con gli strumenti chirurgici standard utilizzati, che sono monitorati nello spazio da un sistema di telecamere digitali che non ostacolano in alcun modo le procedure chirurgiche. La navigazione chirurgica intra-operatoria può inoltre essere collegata a una pianificazione pre-operatoria al calcolare dell’intervento, e anche alle varie attività di ricerca post-operatorie che si svolgono in Laboratorio, potendo fornire infatti, proprio durante l’intervento, preziose informazioni sull’articolazione protesizzata quali la configurazione geometrica finale dell’impianto e delle altre strutture anatomiche, la cinematica passiva, ecc. fondamentali per le complete analisi post-operatorie dei pazienti. Nel nostro Laboratorio sono in corso studi randomizzati sulle prestazioni di questi sistemi di navigazione in sala operatoria, nonché studi sulla loro accuratezza e ripetibilità. Questi sistemi sono utilizzati anche in indagini in-vitro per analizzare i pattern di tensionamento dei legamenti e di moto relativo articolare. Un’importante serie di nostri studi ha infine indagato in maniera del tutto originale la tracciabilità e la navigabilità della rotula durante interventi di navigazione del ginocchio, trasferendo un’intera nuova procedura dalla fattibilità in-vitro a studi clinici su pazienti.

Videofluoroscopia tridimensionale

Nel corso degli anni, l’analisi del movimento tradizionale è stata integrata con strumenti avanzati anche per la misurazione tridimensionale della cinematica delle articolazioni protesizzate, in particolare mediante la videofluoroscopia. Queste tecniche consentono infatti il monitoraggio 3D, durante attività motorie tipiche della vita quotidiana o in posizioni articolari estreme, della posizione e dell’orientamento delle componenti protesiche impiantate, con una accuratezza rispettivamente di un millimetro e un grado. Questa tecnica è stata utilizzata nella validazione di un certo numero di protesi d’anca, ginocchio e caviglia; oltre al tracciamento delle componenti metalliche fissate all’osso, anche l’inserto in polietilene frapposto è stato ricostruito mediante affissione di ulteriori piccoli marcatori radiopachi. La fluoroscopia 3D è stata utilizzata anche in combinazione con la tradizionale analisi del passo su base stereofotogrammetrica.

Radiostereometria

É disponibile anche la misurazione del micro-movimento relativo tra la componente protesica e il relativo osso, tecnica comunemente nota come radio stereometria (o Roentgen-Stereophotogrammetric-Analysis, o RSA). L’individuazione precoce di questo micro-movimento, durante i primi anni di storia del trattamento, si è dimostrata fondamentale per identificare i modelli protesici a rischio mobilizzazione delle loro componenti, e quindi destinati alla fine al loro fallimento. Per eseguirla, piccolissimi marcatori di tantalio vengono inseriti al momento dell’impianto nelle componenti protesiche e nel corrispondente osso, e le loro posizioni sono tracciate in 3D con elevata accuratezza da una doppia esposizione radiografica standard dell’articolazione protesizzata. Questo è dunque un ulteriore importante strumento per valutare le prestazioni dell’impianto in pazienti reali, in particolar modo per identificare con largo anticipo il successo o il possibile fallimento. La tecnica è stata applicata con successo per protesi articolari di anca, ginocchio e caviglia.

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Attività di ricerca
Ortesi plantari e calzature: progettazione e valutazione biomeccanica

Parole chiave: biomeccanica del piede, patologie del piede, cinematica multi segmento del piede, plantari, scarpe ortopediche, ortesi caviglia-piede, tutori, ortesi personalizzate, plantari strumentati, piede diabetico, sovraccarico, pressione plantare, calzature antinfortunistiche, podoscopio, scanner 3D, stampa 3D.

Ortesi podaliche, come plantari e ortesi caviglia-piede, sono dispositivi speciali per il sostegno, l’allineamento e la correzione del piede e delle articolazioni dell’arto inferiore. Questi dispositivi possono essere realizzati con materiali singoli o compositi e possono essere prodotti con diverse tecnologie. La prescrizione dell’ortesi plantare più appropriata per ogni singolo soggetto richiede, in primo luogo, una valutazione funzionale del disturbo o della patologia in corso, che deve essere approfondita al fine di ripristinare il normale allineamento cinematico dei vari segmenti anatomici coinvolti. Diverse combinazioni, sia di tecnologie che di materiali, possono essere progettate per fornire la soluzione meccanica ottimale ai problemi del paziente. Mentre tradizionalmente la progettazione dei plantari si basava sull’esperienza di alcuni tecnici professionisti, sta ora diventando sempre più diffusa l’applicazione di moderne tecnologie per il design e la produzione di dispositivi su misura o su personalizzazioni di larga scala. Queste tecnologie richiedono comunque la disponibilità di strumentazioni e relative competenze particolarmente specializzate per la valutazione funzionale oggettiva della biomeccanica dell’arto inferiore, presenti da anni nel nostro Laboratorio.



Il nostro gruppo di lavoro “Feet & Footwear” è quindi composto da ingegneri e medici con una vasta esperienza di biomeccanica e clinica del piede. Il gruppo ha una vasta gamma di competenze necessarie per analizzare i disturbi del paziente, dalla diagnosi alla prescrizione di dispositivi, fino alla progettazione di nuove soluzioni come plantari e scarpe su misura.
Gli obiettivi principali del gruppo sono i seguenti:

  • migliorare la qualità della vita del paziente (in particolare con piede piatto/cavo, diabetico, reumatico, anziano, pediatrico, oncologico, sportivi professionisti e lavoratori);
  • migliorare le conoscenze attuali sulla biomeccanica e patologia del piede, e sull’interazione biomeccanica tra piede e calzatura (incluso scarpa e plantare);
  • fornire servizi di supporto all’industria per il miglioramento delle tecnologie e dei prodotti attuali, fino a progettare nuove soluzioni tecnologicamente innovative.

Oltre alla normale strumentazione di analisi del cammino, strumenti e software ad-hoc sono stati sviluppati dal team di ricerca, e vengono utilizzati abitualmente per valutare la cinematica e la cinetica del complesso anatomico piede/caviglia nelle sue varie condizioni. Gli strumenti includono:

  • pedane di pressione;
  • podoscopio;
  • scanner plantare 3D;
  • solette a 99 sensori di pressione per analisi baropodometriche nella calzatura.

Metodologie originali, come l’integrazione tra dati di pressione e cinematici, sono state implementate per migliorare la nostra comprensione della biomeccanica del piede, in condizioni normali e patologiche. Inoltre, software ad-hoc sono stati sviluppati per l’analisi automatica, precisa e veloce dei dati di pressione plantare registrati con la pedana di pressione e con le solette strumentate.
Alcune delle nostre recenti attività di ricerca con partner industriali includono:

  • valutazione baropodometrica di stivali militari;
  • valutazione funzionale completa di calzature post-operatorie con scarico dell’avampiede;
  • valutazione di scarpe sportive;
  • pressione plantare in plantari personalizzati per giocatori di calcio professionisti;
  • valutazioni e prove funzionali di tecnologie su base CLOUD per la progettazione di plantari personalizzati in calzature antinfortunistiche;
  • progettazione e prova di scarpe per donna con tacco alto.

In definitiva, la disponibilità e l’abilità di lavorare con tutte queste tecniche consente di seguire l’intero processo e l’intera storia dei trattamenti che coinvolgono dispositivi medici, dalla pianificazione della chirurgia, alla valutazione della sua efficacia, fino alla progettazione di nuovi dispositivi.

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Staff

Contatti e ubicazione

Contatti

Sig. Uber Leoni

Amministrazione e Segreteria

tel. 051-6366571

e-mail segreteria.lanmov@ior.it

Ubicazione

Istituto Ortopedico Rizzoli
Centro di Ricerca Codivilla-Putti
via di Barbiano, 1/10
40136 Bologna

Brevetti

Brevetti del personale dell'unità operativa.

Brevetto
Dispositivo ortopedico perfezionato
Nuove protesi di ginocchio basate su meccanismi sferici. Si tratta di dispositivi ortopedici per la sostituzione protesica del ginocchio, sia parziale sia primaria e sia secondaria, con una componente sul femore distale, ed una sulla tibia prossimale. In maniera del tutto originale le due componenti protesiche sono accoppiate, a realizzare virtualmente o fisicamente una coppia sferica, in modo da generare, assieme anche al contributo dei legamenti conservati, un moto sferico ad un solo grado di libertà. Questa rappresentazione è stata dimostrata infatti essere una ottima approssimazione del moto spaziale naturale di questa articolazione in condizioni di flessione passiva. Tale moto può essere ottenuto con varie soluzioni progettuali, alcune includendo anche elementi innovativi di collegamento tra le superfici articolarli, che le vincolano ad un moto (relativo) di puro rotolamento, evitando pertanto lo strisciamento.
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