Linea di Ricerca 1 - Fondazione Don Carlo Gnocchi

Ricerca corrente
46
Linea di Ricerca 1
Linea di Ricerca 1
Tecnologie biomediche per la diagnosi e il recupero della funzione
Responsabile Scientifico: Prof. Paolo Mocarelli
Studio di un nuovo sistema transdermico
per il rilascio controllato e modulabile dei farmaci
Responsabile: Gramatica Furio
INTRODUZIONE
Gli attuali trattamenti terapeutici per le malattie croniche e degenerative
sono – escludendo le iniezioni tradizionali – infusori
impiantabili (invasivi – scarsa qualità della vita) e cerotti transdermici
(applicabili solo per farmaci con basso peso molecolare,
quali nicotina, nitroglicerina, alcuni antinfiammatori). I dati
presenti in letteratura suggeriscono che la somministrazione
“ideale” di farmaco dovrebbe dunque associare i vantaggi
dell’infusione continua sottocutanea mediante microinfusore
(modulazione del flusso di farmaco a seconda delle necessità
del paziente, conoscenza precisa della quantità di farmaco
somministrata nel tempo), e dei sistemi di rilascio transdermico
(by-pass del metabolismo di primo passaggio, minimo
disagio per il paziente cronico, facilità nell’applicazione e nella
sospensione del farmaco). L’utilizzo di microaghi potrebbe essere
un’alternativa possibile per migliorare la somministrazione
transdermica specialmente per le macromolecole (>2000
Da) (Prausnitz MR and Langer R, 2008).
Alcuni gruppi hanno sviluppato microaghi per il rilascio di
farmaci utilizzando strumenti nanotecnologici, ma senza la
possibilità di modulare il flusso di farmaco in funzione dell’effettiva
necessità del paziente (Roxhed N et al., 2007).
OBIETTIVI
L’obiettivo principale di tale progetto è lo studio della fattibilità
di un dispositivo microstrutturato per il rilascio transdermico
di farmaci – anche ad alto peso molecolare non somministrabili
con cerotti transdermici – in un tempo breve o elevato
e in modo continuo e modulabile. Tale prodotto è sviluppa-
to nell’ottica di migliorare la “compliance” e l’“adherence”
del paziente in malattie croniche (diabete, artrite reumatoide
ecc.) e neurodegenerative (es.: Parkinson, Sclerosi Multipla).
Inoltre tale dispositivo potrebbe essere utilizzato per la somministrazione
di vaccini nei disturbi del sistema immunitario
ottenendo un’amplificazione della risposta immunitaria in seguito
all’attivazione delle cellule del Langherans.
Il dispositivo finale (oggetto di un nostro brevetto) è formato
da: una cartuccia monouso, costituita da un array di microaghi
cavi (altezza massima di circa 1 mm) e da un serbatoio
per il farmaco; un applicatore riutilizzabile dotato di motorino
per l’infusione del farmaco e della componente elettronica
per il controllo e la gestione dell’infusione.
METODI
Nel corso di questo progetto sono stati effettuati alcuni test
preliminari per trovare il giusto compromesso tra l’altezza
dei microaghi (minimamente invasiva) e la riproducibilità del
piercing (per assicurare un’adeguata infusione del farmaco).
A tal proposito si è deciso di testare microaghi di silicio
(300 μm di altezza) di produzione della Tyndall Institute e
mini-aghi da 1 mm in acciaio;
In particolare abbiamo effettuato:
• test istologici ex vivo (su campioni di pelle umana da chirurgia
estetica) relativi alla riproducibilità di perforazione (piercing)
della pelle (microaghi da 300 mm in silicio e 1 mm in
acciaio)
• test di infusione ex vivo (su campioni di pelle umana da chirurgia
estetica) con microaghi d’acciaio a diverse altezze (1 mm,
1,5 mm, 2 mm, 4 mm, 6 mm) per verificare l’infusione e diffusione
di liquido di contrasto attraverso gli strati della pelle.
Negli esperimenti di piercing ex vivo, al fine di simulare

le condizioni fi siologiche, la pelle è stata inserita in un afferraggio
meccanico biassiale, creato appositamente nel
nostro laboratorio tenendo in considerazione i parametri
ottenuti dalla simulazione biomeccanica aghi-pelle (set up
sperimentale descritto nei precedenti progetti di ricerca
corrente). Sono state usate 3 matrici di microaghi in silicio
comprendenti 64 microaghi (8x8) con altezza di 300 μm. Gli
aghi in acciaio sono di produzione commerciale con un diametro
da 0,3 mm (30G) e sono stati opportunamente ridotti
a un’altezza di 1 mm, 1,5 mm, 2 mm, 4 mm e 6 mm. Per
le prove di piercing della pelle ciascun array di microaghi è
stato montato su un “applicatore a penna” mentre per le
prove d’infusione è stata utilizzata una siringa commerciale
da 1 ml.
I test preliminari d’infusione sono stati analizzati mediante
Tomografi a Assiale Computerizzata (TAC) per verifi care la
diffusione del liquido di contrasto (simulazione di un farmaco)
nei vari strati della cute a seconda della diversa altezza
di aghi (micro- e mini-aghi). Le biopsie, montate su un supporto
di polistirolo, sono state analizzate dopo 5 e 15 minuti
Piercing (n=4)
No piercing
Fig. 1
Linea di Ricerca 1
dall’infusione di 250 μl di liquido di contrasto diluiti 1:10 in
soluzione salina. La misurazione semi-quantitativa del volume
del liquido di contrasto diffuso nei diversi strati cutanei è
stata effettuata su ciascuna sezione di spessore di 1 mm (20
sezioni su ciascuna biopsia) mediante un sistema di analisi
d’immagine.
RISULTATI
Le sezioni istologiche mostrano che circa il 50% dei microaghi
ha bucato l’epidermide fermandosi alla giunzione dermoepidermica,
mentre i restanti microaghi hanno creato solo una
deformazione dell’epidermide senza però bucarla. Nella fi gura
sottostante (Fig. 1) è stata riportata una ricostruzione di una
sezione di cute formata da più fotogrammi in serie. Si può notare
che su una fi la di 8 microaghi presenti sulla matrice, solo
4 microaghi hanno bucato l’epidermide (freccia verde) mentre
i restanti 4 l’hanno solo deformata (freccia rossa).
Per studiare l’altezza adeguata dei microaghi al fi ne di ottenere
un’ottimale riproducibilità del piercing, pur mantenendo
la minima invasività, si è deciso di passare all’utilizzo di microaghi
meno costosi, derivanti da aghi in acciaio in commer-
Microfotografi a di sezioni istologiche di cute umana normale colorate con ematossilina-eosina dopo applicazione dell’array di microaghi
da 300 μm (ingrandimento originale 4x).
Ricerca corrente
47

Ricerca corrente
48
Linea di Ricerca 1
cio ma opportunamente ridotti a un’altezza di 1 mm. Nella
figura istologica 2 si nota un buon mantenimento dell’architettura
e struttura dell’epidermide e del derma, presentando
un’interruzione di tutti gli strati dell’epidermide e del derma
papillare compatibile con il piercing del microago da 1 mm.
Questo dato è risultato riproducibile.
40x
Fig. 2
EP
SC
DE
Microfotografia di sezione istologica di cute umana normale
colorata con ematossilina-eosina dopo l’applicazione
del microago da 1 mm. SC= strato corneo, EP= epidermide
vitale, DE= derma (ingrandimento originale 20x).
I risultati della valutazione semi-quantitativa della diffusione
del farmaco nei diversi strati cutanei (epidermide+derma e
ipoderma), analizzata mediante TAC, hanno evidenziato che,
nei campioni trattati con microaghi da 1,5 e 2 mm, il liquido
infuso nella regione epidermo-dermica dopo 15 minuti
tendeva a diffondersi quasi totalmente verso l’ipoderma. Abbiamo
quindi dedotto che questa fosse l’altezza ideale per
avere una minima invasività ma una rapida diffusione negli
strati cutanei. Il grafico sottostante mette in evidenza i risultati
ottenuti per tutte le altezze di aghi (Fig. 3).
area (cm ) 2
Area of the contrast medium depot (only central slice) in the EP-DE region
0,35
0,3
0,25
0,2
0,15
0,1
0,05
Fig. 3
1
mm
1,5
mm
2
mm
4
mm
6
mm
1
mm
1,5
mm 2
mm
4
mm
after 5 minutes
after 15 minutes
needles lenght
6
mm
Istogramma delle misurazioni del liquido di contrasto presente nella sezione
centrale di ciascuna biopsia. Le frecce indicano le altezze ideali in cui si
nota una buona diffusione del farmaco con il passare del tempo.
Lo sviluppo futuro di questo progetto sarà quello di creare
un prototipo completo (di cui abbiamo già depositato un brevetto)
di cartuccia transdermica monouso (microaghi e sebatoio)
e applicatore in grado di monitorare l’infusione del
farmaco e quindi validare tale dispositivo con studi preclinici.
PRODOTTI SCIENTIFICI
Abstract presentati a Congressi Internazionali e Nazionali:
– Bedoni M, Donetti E, Casella M, Forvi E, Gualerzi A, Gramatica
F. An innovative transdermal drug delivery device for
the treatment of chronic diseases. 36° Annual Meeting of
Society for Cutaneous Ultrastructure Research (SCUR). Firenze,
11-13 giugno 2009. Exp. Dermatol. 2009;18:1085-6.
– Bedoni M, Casella M, Donetti E, Forvi E, Lucini V,
O’Mahoney C, Scaglione F, Gramatica F. An innovative
transdermal drug delivery device for the treatment of type
1 diabetes. 63° Congresso Nazionale della Società Italiana
di Anatomia e Istologia. Torino (Italy), 10-12 settembre
2009. Ital J Anat Embryol. 2009;114:32.

– O’Brien J, Bedoni M, Blake A, Scully J, Forvi E, Casella
M, Gramatica F, O’Mahoney C. Hollow microneedles for
pain-free drug delivery. MicroMechanics Europe. Toulouse
(France), 20-22 settembre 2009.
Papers:
– Matteucci M, Fanetti M, Casella M, Gramatica F, Gavioli L,
Tormen M, Grenci G, De Angelis F, Di Fabrizio E. Poly vinyl
alcohol re-usable masters for microneedle replication”. Microelectronic
Engineering. 2009;86:752-756
Brevetto:
– MI2010A002414 depositato in data 27/12/2010 da Fondazione
Don Carlo Gnocchi ONLUS. Inventori: Gramatica
Furio, Forvi Elena, Bedoni Marzia, Cassarà Domenico Giorgio,
Casella Michele. Titolo: “Apparecchiatura ad aghi per la
somministrazione transdermica di farmaci”.
Linea di Ricerca 1
Sviluppo di un sensore ottico innovativo per l’analisi
in tempo reale di sostanze nel sangue per la diagnosi
e la somministrazione controllata di farmaci
Responsabile: Gramatica Furio
INTRODUZIONE
Un aspetto che riveste una fondamentale importanza nella
ricerca clinica, per esempio nell’ambito del cancro, di malattie
croniche e acute, è rappresentato dallo sviluppo e dalla
messa a punto di test semplici e non invasivi in grado di
effettuare una diagnosi precoce, di formulare una prognosi
accurata e di fornire indicazioni sulla scelta terapeutica più
adeguata.
I recenti progressi ottenuti nel campo della ricerca clinica
hanno reso possibile l’identificazione di geni espressi in diverse
situazioni clinico-patologiche e biologiche (nel tessuto
patologico rispetto al tessuto normale, in tumori aggressivi
rispetto a tumori indolenti simili per stadio clinico-patologico
ecc.), proposti come una nuova classe di marcatori specifici,
prognostici e/o predittivi. La possibilità di individuare questi
nuovi biomarcatori con tecniche ancora più sensibili e specifiche
di quelle attualmente in uso (PCR, ELISA, istologia)
presso i laboratori clinici porterà a un miglioramento dei test
di follow-up (aumentandone la specificità e diminuendo il
costo dei trattamenti) e della definizione della scelta terapeutica
(rendendo possibile una terapia personalizzata e razionalizzando
quindi i costi dei trattamenti con una riduzione
della loro non-appropriatezza).
Esistono alcuni metodi spettroscopici – noti in ambito fisicochimico
e solo parzialmente approdati al versante di ricerca
biomedicale – che presentano sensibilità, specificità e rapidità
d’uso anche milioni di volte superiori rispetto alle metodiche
convenzionali. Tra questi sta assumendo particolare rilievo, a
livello internazionale, la spettroscopia ottica vibrazionale (Raman
classica, Raman risonante e Surface Enhanced Raman
Spectroscopy-SERS) basata su un effetto fisico noto dagli
anni ’20 e utilizzato in scienze dei materiali dagli anni ’70, con
l’avvento dei laser. Negli ultimi cinque anni si sono moltiplicati
gli studi e le pubblicazioni relative alla spettroscopia Raman
applicata alla detezione di biomarcatori (Nguyen CT, 2010; Joshi
B, 2010 ) o di modificazioni biochimiche di tessuti correlate
Ricerca corrente
49

Ricerca corrente
50
Linea di Ricerca 1
a processi patologici (Beljebbar A, 2009) e la prospettiva di
una reale applicazione in ambito clinico è vicina.
OBIETTIVI
Il razionale del seguente progetto è quindi legato all’opportunità
di utilizzo della biofotonica, e in particolare di sistemi
Raman commerciali, nell’ambito di una costituenda piattaforma
tecnologica di biofotonica clinica, per lo sviluppo di un
sensore ottico minimamente invasivo e indolore, di semplice
uso ed elevatissima sensibilità e specifi cità.
I principali obiettivi del progetto sono:
progettazione e sviluppo dei sensori diagnostici: sonda di
fi bra ottica funzionalizzata con nanoparticelle, utilizzante
spettroscopia SERS, per effettuare misure quali-quantitative
immediate e a elevatissima sensibilità di analiti e biomarcatori
(oncogeni) in fl uidi corporei;
validare la metodica Raman classica nell’ambito di nuove applicazioni
diagnostiche attraverso un’analisi comparativa con
le tecniche tradizionali in termini di sensibilità e specifi cità.
METODI
La prima fase del progetto ha comportato la progettazione di:
nanoparticelle d’oro magnetiche, oligonucleotidi creati ad hoc
per legarsi alla nanoparticella e riconoscere basi di un gene
target e oligonucleotidi legati a Raman probes come sensori
SERS attivi.
In quest’ultimo anno stiamo effettuando dei test preliminari
in vitro come “proof of concept” per l’identifi cazione del
gene beta actina che, essendo di facile detezione, ci permette
di concentrare la nostra attenzione solo sull’ottimizzazione
delle nanoparticelle funzionalizzate e i Raman probes,
al fi ne di rendere il sensore altamente selettivo e sensibile.
La seconda fase del progetto, che ci vedrà impegnati nel
prossimo anno, riguarderà la creazione e la sperimentazione
di sensori completi per la rilevazione di biomarcatori target
in fl uidi biologici umani mediante spettroscopia Raman. Gli
esperimenti sono effettuati in parallelo con uno spettroscopio
Raman da banco dotato di microscopio confocale e con
un video-Raman portatile.
Infi ne la validazione del sistema SENSI-Raman avverrà tramite
confronto in parallelo con la metodica standard PCR. I termini
di confronto si baseranno su sensibilità, specifi cità e rapidità.
RISULTATI
I risultati ottenuti dal processo iniziale di progettazione ci hanno
permesso di identifi care le specifi che tecniche ad hoc di:
nanoparticelle metalliche magnetiche,
oligonucleotidi,
Raman probes.
Dopo alcuni test esplorativi iniziali, sono state progettate e
create presso il Dipartimento di Biotecnologie e Bioscienze
dell’Università di Milano-Bicocca, delle nanoparticelle magnetiche
ottimali di 300 e 500 nm.
Fig. 1
2 μm
Microfotografi a di un cluster di nanoparticelle da 500 nm
coniugate con Rhodamine 6G. Le nanoparticelle si presentano
come cluster di dimensioni di diverse decine di
micrometri.
Sono stati effettuati spettri SERS delle nanoparticelle coniugate
con Rhodamine 6G utilizzando laser di lunghezza
d’onda pari a 532 nm e potenza di 0,075 mW. I modi Raman-vibrazionali
delle molecole, ottenuti sperimentalmente
e riportati in Fig. 2, sono risultati confrontabili con i modi
pubblicati in letteratura.
Dai risultati ottenuti abbiamo determinato che la Rhodamine
6G possa essere il Raman probe candidato per la realizzazione
del primo sensore sperimentale.
PRODOTTI SCIENTIFICI
Abstract presentati a Congressi Internazionali e Nazionali:
– Casella M, Lucotti A, Tommasini M, Bedoni M, Forvi E,
Gramatica F, Zerbi G. Rapid Investigation on Fresh Human

Force [g]
1600
1500
1400
1300
1200
1100
1000
900
800
700
600
500
400
300
200
100
Fig. 2
XRS, ip C-H bend
XRS, ip N-H bend
Whole Blood by means of Raman and SERS techniques.
The XII International Conference on Laser Applications in
Life Sciences. Oulu (Finlandia), 9-11 giugno 2010.
– Casella M, Lucotti A, Tommasini M, Gramatica F, Di Fabrizio
E, Zerbi G. Apomoprhine Vibrational structure revealed
by Raman and SERS spectroscopies. XIII European Conference
on the Spectroscopy of Biological Molecules, Palermo,
28 agosto-2 settembre 2009.
– Casella M, Lucotti A, Tommasini M, Bedoni M, Forvi E, Di
Fabrizio E, Zerbi G, Gramatica F. Clinical Biophotonics applications
at Don Gnocchi Foundation. Photonics for Life
conference, Firenze, 25-26 maggio 2009.
– Lucotti A, Casella M, Tommasini M, Gramatica F, Di Fab-
XRS, C-N str, C-H bend,
N-H bend
XRS, ip C-H bend
ip XRB, N-H bend,
CH2 wag
ip XRD, C-H bend,
N-H bend
1600 1400 1200 1000 800 600
Displacement [mm]
Linea di Ricerca 1
Spettro SERS del cluster di nanoparticelle di 500 nm con laser a 532 nm e potenza 0,075 mW. I modi Raman sono: ip=in plane, op=out of plane,
XRD= xantene ring deformations, XRB=xantene ring breath, XRS=xantene ring stretch; wag=wagging.
op C-H bend
rizio E, Zerbi G. Experimental and Theoretical Investigation
of Apomorphine Raman Spectrum. XXI Congresso Nazionale
Spettroscopia Raman, Milano, 1-13 febbraio 2009.
Paper:
– Casella M, Lucotti A, Tommasini M, Bedoni M, Forvi E,
Gramatica F, Zerbi G. Raman and SERS recognition of Beta-
Carotene and Haemoglobin fi ngerprints in Human Whole
Blood. Spectrochimica Acta Part A; In Press. doi:10.1016/j.
saa.2011.03.048.
– Lucotti A, Casella M, Tommasini M, Gramatica F, Di Fabrizio
E, Zerbi G. Experimental and Theoretical Investigation
of Apomorphine Raman Spectrum. J Raman Spectros;
2009;40:2074–2079.
ip XRD
Ricerca corrente
51

Ricerca corrente
52
Linea di Ricerca 1
Validazione di elettrodi basati sulla tecnologia
a microaghi per il monitoraggio di biopotenziali
Responsabile: Gramatica Furio
INTRODUZIONE
In ambito clinico e di ricerca per la misurazione di biosegnali
quali ECG, EEG, EOG, EMG vengono comunemente utilizzati
elettrodi a gel, a oggi considerati il golden standard. A livello
sperimentale gli elettodi a gel sono stati affi ancati da una differente
tipologia di elettrodi defi niti a secco: una promettente
tecnologia su cui si basano tali elettrodi è quella dei microaghi,
ovvero strutture appuntite delle dimensioni di qualche centinaio
di μm in grado di bucare lo strato corneo (SC), strato più
superfi ciale della cute con proprietà isolanti e non diffusive. I
microaghi, una volta bucato lo SC, creano un contatto con gli
strati conduttivi più profondi del derma, evitando di ricorrere
all’uso di gel. Gli elettrodi basati sui microaghi riducono drasticamente
i tempi di preparazione della cute del soggetto,
risultando più confortevoli per il care-giver e per il soggetto
acquisito. Inoltre tali elettrodi consentono monitoraggi di biosegnali
per durate superiori in quanto all’assenza di gel non
ne provoca l’essiccazione nel tempo, con conseguente perdita
o alterazione del biosegnale. In aggiunta l’inserimento dei
microaghi nella cute realizza un’interfaccia più stabile tra elettrodo
e cute, garantendo un elevato rapporto segnale-rumore
anche durante il movimento del soggetto.
OBIETTIVI
La ricerca si focalizza sulla validazione di nuovi elettrodi di
superfi cie a secco che si basino sulla tecnologia a microaghi.
Tali elettrodi, dotati di caratteristiche innovative, si presentano
come promettente alternativa ai comuni elettrodi a gel
per il monitoraggio continuo e minimamente invasivo di biopotenziali
(EMG, ECG, EEG, EOG) in ambito clinico.
METODI
Per raggiungere gli obiettivi dello studio sono stati condotti
differenti prove sperimentali:
• Test di valutazione istologica ed elettromeccanica di piercing
di cute umana ex vivo da parte di microaghi in silicio e
in acciaio con particolare riferimento allo studio della riproducibilità
del piercing e all’identifi cazione e quantifi cazione
del momento di piercing;
• Test di valutazione della solidità e robustezza dei microaghi,
in particolare della caratterizzazione a rottura dei microaghi
in silicio;
• Test di biocompatibilità e di solidità di prototipi di dry electrodes
con microaghi in acciaio in vivo su modelli animali
(ratti);
• Test di valutazione elettromeccanica di piercing su cute
umana in vivo di un prototipo di dry electrode con microaghi
in acciaio, con particolare attenzione all’identifi cazione
e quantifi cazione del momento di piercing e alla percezione
dolorifi ca associata.
RISULTATI
I test di piercing su campioni di pelle umana ex vivo effettuati
con microaghi in acciaio da 1 mm hanno confermato il piercing
dello SC, dell’epidermide e parzialmente del derma papillare
(Fig. 1). A livello elettromeccanico il piercing della cute
è stato confermato mediante un improvviso decremento del
segnale di forza di reazione della pelle (Fig. 2) e di impedenza
elettrica: tale evento dimostra il contatto dei microaghi con
gli strati più profondi e conduttivi della cute, migliorando la
conducibilità del circuito e quindi potenzialmente la qualità
dei biosegnali acquisiti.
piercing
Fig. 1
SC
EP
DE
Microfotografi a di sezione istologica di cute umana normale
colorata con ematossilina-eosina dopo l’applicazione
del microago da 1 mm. SC=strato corneo, EP=epidermide
vitale, DE=derma. (Ingrandimento originale 20x).

La solidità dei microaghi è stata valutata per i microaghi in
silicio da 300 μm in quanto quelli in acciaio, trovandosi già in
commercio, non necessitavano di ulteriori prove di robustezza.
I microaghi in silicio da 300 μm sottoposti a rottura per
compressione assiale si sono dimostrati sufficientemente
robusti: in particolare si è trovato che possono sopportare
forze rottura a compressione maggiori di un fattore 7 alle
forze in gioco durante l’inserzione nella cute. Tuttavia, presentando
una scarsa ripetibilità di piercing, lo studio si è focalizzato
in seguito solo sui microaghi in acciaio.
La biocompatibilità dei prototipi di dry electrode realizzati sotto
forma di matrici di 4 microaghi alti 1 mm è stata valutata con
esperimenti in vivo su modelli animali (ratti). I campioni trattati
(15 minuti e 5 ore), analizzati mediante microscopia elettronica
a trasmissione (TEM) o sottoposti a esperimenti di immunofluorescenza
hanno evidenziato che a livello morfologico non
è presente alcuna reazione infiammatoria locale. Tuttavia i
campioni a 5 ore, processati per la biologia molecolare, hanno
evidenziato, rispetto ai controlli, un’immediata e breve risposta
locale a livello genico, che tuttavia non si manifesta a livello
sistemico in quanto a tale livello non si rileva alcuna risposta
infiammatoria. L’espressione genica rivela che le terminazioni
nervose cutanee dei ratti rispondono leggermente in seguito
all’applicazione dei microaghi da 1 mm, soprattutto dopo 5 ore.
force [g]
2000
1500
1000
500
0
Fig. 2 10
Ex vivo 4 SC
skin
piercing
5 15 20 25 30
time [s]
Grafico della forza di reazione in funzione del tempo durante l’inserzione
dei microaghi in un campione di cute umana ex vivo.
Linea di Ricerca 1
Concludendo, seppur con una parziale espressione genica
di alcune citochine, nel complesso la device risulta biocompatibile.
I dati relativi alla lieve attivazione delle terminazioni
nervose suggeriscono che l’altezza ideale per evitare la
sensazione dolorifica dovrebbe essere inferiore a 1 mm.
Inoltre dopo 15 minuti e 5 ore della permanenza della device
si è verificata l’integrità del sistema e si è proceduto
a un’analisi visiva del tessuto cutaneo dei ratti: la cute non
presentava irritazione superficiale e rossore. In ultimo si è
voluta valutare la riproducibilità del piercing in termini biomeccanici
su campioni di cute umana in vivo: le forze di
inserzione ottenute sono comparabili a quelle ottenute su
campioni ex vivo (Fig. 3). Inoltre in tali prove è stata misurata
la sensazione dolorifica avvertita durante il contatto
dei microaghi: il dolore percepito è stato di 0,5-1 cm su
10, relativo a un lieve pizzicore. In conclusione in futuro si
potranno effettuare prove di monitoraggio di biopotenziali
utilizzando prototipi di dry electrode realizzando device
con microaghi di altezza di poco inferiore al millimetro (es.
900 μm) per mantenere l’efficacia del piercing ma riducendo
del tutto la sensazione di pizzicore percepita con 1 mm
di altezza.
PRODOTTI SCIENTIFICI
Abstract presentati a Congressi Internazionali e Nazionali:
– Bedoni M, Forvi E, Casella M, Cassarà DG, Donetti E, Gramatica
F. A promising biomedical device to overcome the
skin barrier for monitoring biopotentials. 37° Annual Meeting
of Society for Cutaneous Ultrastructure Research (SCUR).
Helsinki, 7-8 settembre. Exp. Dermatol., 2010;19:1033-4.
– Forvi E, Rizzo F, Carabalona R, Mazzoleni P, Bedoni M,
Casella M, O’Mahony C, Gramatica F. Microneedles electrodes
for biopotentials monitoring. Congresso del Gruppo
Nazionale di Bioingegneria. Torino, 8-10 luglio 2010.
– Forvi E, Soncini M, Bedoni M, Rizzo F, Casella M, O’Mahony
C, Gramatica F. A method to determine the margin of safety
for microneedles arrays. World Congress on Engineering
2010 – International Conference on Mechanical Engineering,
Londra, 30 giugno-02 luglio 2010.
È stata inoltre effettuata una presentazione scientifica contenente
alcuni risultati sperimentali in occasione del convegno Nano-
Ricerca corrente
53

Ricerca corrente
54
Linea di Ricerca 1
techItaly (Venezia, 20-22 ottobre 2010), nel corso della quale il
progetto e la società TT Seed sono stati citati verbalmente.
Brevetti:
– MI2010A000830: 10/05/2010 by Fondazione Don Carlo
Gnocchi ONLUS. Inventori: Gramatica Furio, Bedoni Marzia,
Casella Michele, Cassarà Domenico Giorgio, Forvi Ele-
Report
Global Force: Peak (g): 342,6 - 888,3
>F(g): 5,4 - 12,7
Piercing displacement (mm): 3,5 - 4,8
Failure events: N°[2-4]
Force [g]
1000
900
800
700
600
500
400
300
200
100
Fig. 3
2,00
2,07
2,14
2,22
2,29
2,36
2.43
2,51
2,58
2,65
2,73
2,80
2,87
2,94
3,01
3,09
3,16
3,23
3,31
3,38
3,45
3,52
3,59
3,67
3,74
3,81
3,96
4,03
4,10
4,17
4,25
4,32
4,39
4,47
4,54
4,61
4,68
4,75
4,83
na, Iorio Antonio Michelino. Titolo: “Dispositivo ad aghi per
la rilevazione di biosegnali attraverso la cute”.
– PCT/EP2011/057430: applicant TT Seed S.r.l. Inventors: Gramatica
Furio, Bedoni Marzia, Casella Michele, Cassarà Domenico
Giorgio, Forvi Elena, Iorio Antonio Michelino. Title:
“Needle device for detecting biosignals through the skin”.
4 Needles - length: 1mm; V: 0,5 mm/s; Position: forearm
P6
P5
P4
P3
Displacement [mm]
Grafico della forza di reazione della cute durante l’inserzione dei microaghi in vivo in funzione del tempo su volontari sani: le frecce indicano la caduta
di forza dovuta al piercing della cute.
P2
P1

Sviluppo di nuovi algoritmi e procedure
per l’analisi della dinamica dei segnali fisiologici
Responsabile: Castiglioni Paolo
INTRODUZIONE E OBIETTIVI
Il progetto nasce dalla richiesta di metodiche innovative per
valutare la funzionalità dei meccanismi fisiologici di controllo
dell’analisi dei biosegnali da essi generati. In particolare,
parte della ricerca si è focalizzata su metodi detti di “analisi
di complessità”. Molti segnali fisiologici sono assimilabili
a processi stocastici frattali e quindi caratterizzabili da una
specifica dimensione frattale (o coefficiente di scala). Alcuni
segnali sembrano però essere meglio descritti da due (o
più) coefficienti di scala. In questo contesto un obiettivo del
progetto è stato sviluppare un metodo per descrivere appropriatamente
la struttura di autosomiglianza di segnali con
natura multifrattale.
Un altro aspetto che caratterizza la “complessità” dei biosegnali
è il grado di impredittibilità. Un popolare metodo di stima
dell’impredittibilità della frequenza cardiaca è l’entropia approssimata.
Questo indice misura la probabilità che segmenti
di m dati consecutivi con dinamica simile (cioè all’interno della
distanza r nello spazio delle fasi a m-dimensioni), rimangano
simili quando si aggiunge un dato al segmento. Più bassa è la
probabilità, meno predicibile è il segnale e maggiore è l’entropia.
In letteratura non esistono criteri precisi per la scelta di r
(tradizionalmente fissata tra il 10% e il 25% della deviazione
standard del segnale). Scopo della ricerca è stato quindi valutare
se una scelta arbitraria di r rappresenti una seria criticità
nell’uso di questo strumento in ambito clinico.
La ricerca ha anche riguardato l’analisi dei tracciati elettrooculografici,
fondamentali per classificare le fasi del sonno.
Un metodo di classificazione automatica permetterebbe di
evitare il tedioso processo di classificazione manuale, e sarebbe
indipendente dall’operatore. Ulteriore obiettivo della
ricerca è stato quindi lo sviluppo di un algoritmo di classificazione
automatica dei movimenti oculari.
METODI
L’algoritmo per ottenere uno spettro di coefficienti di autosomiglianza
a differenti scale temporali è basato sulla Detrended
Fluctuations Analysis ed è illustrato in Fig. 1. Per valutare gli ef-
Linea di Ricerca 1
fetti di una progressiva attivazione simpatica il metodo è stato
applicato su 60 volontari sani registrando pressione arteriosa e
frequenza cardiaca in tre condizioni sperimentali: in posizione
supina; in posizione seduta; e durante un leggero esercizio fisico
da seduti.
Effetti dell’invecchiamento sono stati valutati confrontando
il primo e il terzo terzile di età dell’intero gruppo di volontari.
Inoltre la capacità del metodo di evidenziare effetti dell’ipossia
durante il sonno è stata valutata su 8 volontari partecipanti
a una missione scientifica sul Monte Everest. La frequenza
cardiaca è stata registrata durante il riposo notturno a livello
del mare, a 3500 m durante l’esposizione acuta all’ipossia,
e a 5400 m dopo l’acclimatamento in quota. Sono stati calcolati
tradizionali indici lineari di variabilità e lo spettro dei
coefficienti di scala.
Per valutare la criticità della scelta del parametro r nella stima
della impredittibilità della frequenza cardiaca, sono stati
considerati tracciati elettrocardiografici raccolti per 10 minuti
in 10 volontari sani (età 21-25 anni) in posizione supina e seduta.
L’entropia approssimata di tali tracciati è stata calcolata
in funzione di r e si è quantificata la variazione di entropia col
cambio di postura (manovra nota per attivare il tono simpatico
e disattivare il tono vagale).
Per quanto riguarda la classificazione automatica dei movimenti
oculari, è stato disegnato un algoritmo di riconoscimento
basato su due caratteristiche del segnale oculografico:
la distribuzione statistica della derivata, per identificare i
movimenti veloci; lo spettro di frequenza, per identificare i
movimenti lenti. L’algoritmo è stato applicato su 5 tracciati
polisonnografici registrati di notte in soggetti sani.
RISULTATI
Contrariamente a quanto normalmente ritenuto, le strutture
di scala di frequenza cardiaca e pressione arteriosa si discostano
dal modello frattale a uno o due coefficienti. Le due
strutture differiscono a riposo ma non durante esercizio,
verosimilmente per l’influenza (massima a riposo) del tono
parasimpatico sulla frequenza cardiaca.
Effetti dell’invecchiamento sono evidenti solo in condizione
supina, svanendo con l’attivazione simpatica durante esercizio
(Fig. 2). Ciò spiega perché precedenti studi che non hanno con-
Ricerca corrente
55

Ricerca corrente
56
Linea di Ricerca 1
x (t)
y (t)
y (t)
0,9
0,7
Fig. 1A
- 25
0
Fig. 1B
- 25
0
Fig. 1C
900 1800 2700
Time [s]
900 1800 2700
Time [s]
n=2800
n=1400
y (t)
F (n)
(t)
- 25
0
Fig. 1D
10
1
10
-1
-2
10
Fig. 1E
1.4
1.2
1.0
Fig. 1F
4
900 1800 2700
Time [s]
Block Size [n]
n= 700
10 100 1000
10 100 500
Time Scale [s]

siderato la struttura “multifrattale” e non hanno standardizzato
l’attività dei soggetti hanno riportato risultati contraddittori.
Come atteso, l’ipossia notturna a 3500 m ha prodotto variazioni
riconducibili a riduzione di tono vagale e aumento di
tono simpatico in tutti i parametri associabili alla regolazione
del sistema autonomo. Paradossalmente però a 5400 m gli
indici lineari tradizionali sono tornati a valori simili a quelli
osservati a livello del mare nonostante il maggior numero
di apnee notturne. Invece la struttura dei coeffi cienti di scala
ha ancora mostrato marcate e signifi cative alterazioni. In
conclusione effetti di ipossia notturna severa sono meglio
quantifi cabili dal metodo di autosomiglianza da noi proposto
che non dagli indici tradizionali.
La criticità della scelta di r nella stima dell’entropia è stata evidenziata
dal fatto che col cambio di postura le variazioni di entropia
hanno addirittura segno opposto se si considerano gli estremi
del range consigliato in letteratura. Infatti, l’entropia aumenta
passando da posizione supina a seduta quando r=10%, mentre
diminuisce quando r=25%. Ciò indica che nelle applicazioni
cliniche si deve valutare l’intero profi lo di entropia in funzione di r
prima di trarre conclusioni sull’impredittibilità del segnale.
Infi ne il confronto tra la classifi cazione automatica dei movimenti
oculari durante sonno e classifi cazione manuale ha evidenziato
la buona capacità di classifi cazione dell’algoritmo proposto.
Fig. 1
ABCDEF
Fig. 2
ABC
Illustrazione del metodo di stima dello spettro temporale
di coeffi cienti di scala, alfa(t), proposto in questa ricerca.
L’esempio è applicato su una serie di intervalli cardiaci x(t) (reciproco
della frequenza cardiaca) della durata di un’ora (pannello
superiore sinistro). La serie x(t) è integrata ottenendo
y(t), poi suddivisa in blocchi di n campioni. In ogni blocco è
stimato il trend lineare (pannelli a sinistra). Lo scostamento
quadratico medio dal trend, F(n), è calcolato per diversi n
(pannello superiore destro): per segnali frattali, la relazione
tra F(n) ed n appare lineare su scala bi-logaritmica. Deviazioni
dal modello monofrattale (retta a tratteggio) sono evidenziate
dalla derivata di log F(n) vs. log n (pannello inferiore destro).
La derivata rappresenta quindi uno spettro temporale della
struttura di scala di x(t) ed evidenzia una complessa struttura
multifrattale non riconoscibile coi metodi di analisi tradizionali.
Spettri dei coeffi cienti di autosomiglianza per l’intervallo
cardiaco in soggetti giovani (21-27 anni) e più anziani (38-79
anni). Le differenze sono evidenti solo in posizione supina.
1,4
1,2
1,0
0,8
Fig. 2A
1,4
1,2
1,0
0,8
Fig. 2B
1,4
1,2
1,0
0,8
Fig. 2C
Supine
Linea di Ricerca 1
Young
Old
7 10 20 30 50 70 100
Time Scale [s]
Sitting
Young
Old
7 10 20 30 50 70 100
Time Scale [s]
Sitting+Exercise
Old
Young
7 10 20 30 50 70 100
Time Scale [s]
Ricerca corrente
57

Ricerca corrente
58
Linea di Ricerca 1
PRODOTTI SCIENTIFICI
– Castiglioni P, Caldara G, Di Rienzo M, Parati G.Where is
the fractal component of heart rate spectra hiding? Anesth
Analg. 2010 Jun 1; 110(6):1752.
– Castiglioni P, Parati G, Civijian A, Quintin L, Di Rienzo M.
Local scale exponents of blood pressure and heart rate
variability by detrended fluctuation analysis: effects of posture,
exercise, and aging. IEEE Trans Biomed Eng. 2009
Mar;56(3):675-84.
– Di Rienzo M, Parati G, Radaelli A, Castiglioni P. Baroreflex
contribution to blood pressure and heart rate oscillations:
time scales, time-variant characteristics and nonlinearities.
Philos Transact A Math Phys Eng Sci. 2009 Apr
13;367(1892):1301-18.
– Castiglioni P, Lombardi C. Cardiovascular regulation and
cardiovascular diseases: what can sleep teach us? J Hypertens.
2009 Aug;27(8):1533-5.
– Lombardi C, Parati G, Cortelli P, Provini F, Vetrugno R,
Plazzi G, Vignatelli L, Di Rienzo M, Lugaresi E, Mancia G,
Montagna P, Castiglioni P. Daytime sleepiness and neural
cardiac modulation in sleep-related breathing disorders. J
Sleep Res. 2008 Sep;17(3):263-70.
– Castiglioni P, Di Rienzo M. How the Threshold “R” Influences
Approximate Entropy Analysis of Heart-Rate Variability.
Computers in Cardiology 2008; 35:561-564.
Tecniche avanzate di analisi di biosegnali:
sviluppo di algoritmi per sistemi complessi
e dispositivi portatili
Responsabile: Castiglioni Paolo
INTRODUZIONE E OBIETTIVI
Lo sviluppo tecnologico mette a disposizione del clinico dispositivi
portatili per misure fisiologiche non intrusive su lungo
periodo. Da questa opportunità nasce l’esigenza di ricavare
informazioni affidabili sulla salute del paziente da registrazioni
ottenute in condizioni meno controllabili che in laboratorio.
Questo progetto risponde alla richiesta di metodi di analisi per
monitoraggi di lungo periodo che tengano conto delle inerenti
caratteristiche di tali segnali. Tra queste caratteristiche si devono
includere anche aspetti di “complessità” che possono
evidenziarsi in registrazioni di lunga durata durante attività
spontanea o in condizioni fisiologiche estreme.
Lo studio è in particolare focalizzato su come ricavare informazioni
sulla condizione di sodiosensibilità da monitoraggi pressori
sulle 24 ore; e su progettazione e interpretazione fisiologica di
algoritmi di analisi della dinamica complessa dei biosegnali.
La sodiosensibilità è un importante fattore di rischio cardiovascolare
che si somma ad altri fattori. La classificazione del
paziente in sodioresistente (SR) o sodiosensibile (SS) richiede
una procedura laboriosa, comprendente diete strettamente
controllate a basso e alto carico di sodio. È stato però
suggerito che la dieta ad alto carico di sodio riduce la naturale
modulazione giorno/notte della pressione nel paziente
SS. Se questa alterazione si verificasse anche durante dieta
abituale, sarebbe possibile ricavare informazioni sulla sodiosensibilità
da monitoraggi pressori in condizioni normali,
rendendone più semplice il riconoscimento. Scopo di questa
parte dello studio è quindi verificare la possibilità di ricavare
informazioni sulla sodiosensibilità da monitoraggi pressori
con dispositivi portatili.
Un aspetto della dinamica complessa dei biosegnali è descritto
dalla dimensione frattale. In genere gli algoritmi di stima
richiedono lunghe serie temporali. In applicazioni cliniche invece
le serie sono spesso costituite da un numero limitato
di misure consecutive, come nel caso dei valori pressori da
monitoraggi ambulatori. Obiettivo di questa parte dello studio

dedicata all’analisi di complessità è definire un nuovo metodo
di calcolo della dimensione frattale per serie di lunghezza
limitata. Ulteriore obiettivo è valutare l’influenza del sistema
simpatico sulle caratteristiche di multifrattalità della frequenza
cardiaca e della pressione arteriosa allo scopo di ottenere
una chiave di interpretazione fisiologica delle alterazioni nella
struttura di autosomiglianza dei segnali cardiovascolari.
METODI
Per quanto riguarda il riconoscimento della sodiosensibilità,
sono stati analizzati dati raccolti in precedenza dal reparto di
Cardiologia della Fondazione Don Gnocchi di Parma. La pressione
arteriosa è stata misurata con dispositivo portatile in
46 ipertesi moderati non trattati. Sulla base dei valori ottenuti
nell’arco delle 24 ore si è identificata l’eventuale presenza di
“non-dipping pressorio notturno” e di elevata frequenza cardiaca
come possibili indicatori di sodio sensibilità. I pazienti sono
stati suddivisi in classi di rischio: a basso rischio se assenti entrambi
gli indicatori; a rischio intermedio se presente un solo
indicatore; ad alto rischio se presenti entrambi gli indicatori. I
pazienti sono stati poi sottoposti al test per la stima dell’indice
di sodiosensibilità (SSI) e per la classificazione in SS o SR.
Per quanto riguarda la stima della dimensione frattale, il nuovo algoritmo
è basato sulla correzione di un errore metodologico presente
in un popolare algoritmo di stima (metodo di Katz) e nella
rielaborazione di tale metodo. La nuova procedura è stata testata
con segnali sintetizzati stocastici (moti browniani frazionari) e deterministici
(funzioni coseno di Weierstrass) di dimensione frattale
nota e di lunghezza variabile tra 10 e 1000 campioni.
Per valutare l’influenza del sistema nervoso autonomo sui coefficienti
di scala, in collaborazione col dipartimento di Fisiologia
dell’Università di Lione sono stati analizzati tracciati precedentemente
registrati in 9 volontari sani a riposo in posizione supina
prima e durante il blocco delle efferenze vagali con atropina, delle
efferenze simpatiche cardiache con propranololo, e con blocco
della regolazione simpatica vascolare e cardiaca con clonidina.
RISULTATI
Come mostrato in Fig. 1, l’indice di sodiosensibilità aumenta
dalla classe a basso rischio alla classe ad alto rischio di sodiosensibilità
(rischio valutato unicamente sulla base del monitoraggio
pressorio in condizioni di dieta abituale). Similmente
Linea di Ricerca 1
anche la prevalenza di pazienti SS aumenta in modo marcato
dalla classe a basso rischio a quella ad alto rischio. I risultati
quindi indicano che è possibile ricavare informazioni sul rischio
di sodiosensibilità associato alla dieta attuale del paziente da
semplici monitoraggi pressori. Ciò consentirebbe di valutare il
rischio di sodiosensibilità su ampie popolazioni di ipertesi o normotesi
con procedure assai meno complicate rispetto al test
tradizionale.
SSI [mmHg/mol/day]
Prevalence of SS [%]
90
80
70
60
50
40
30
20
10
Fig. 1A
90
80
70
60
50
40
30
20
10
Fig. 1B
SSLR SSIR SSHR
Sodium-Sensitivity Risk Class
SSLR SSIR SSHR
Sodium-Sensitivity Risk Class
Indice di sodiosensibilità (SSI, sinistra) e prevalenza di pazienti sodiosensibili
(SS, destra) ottenuti dal tradizionale test di sodiosensibilità, nelle tre
classi di rischio (basso, SSLR; intermedio, SSIR; elevato, SSHR) definite
unicamente sulla base del monitoraggio pressorio in condizioni di dieta
abituale (da Castiglioni et al., Hypertension, 2011).
*
*
Ricerca corrente
59

Ricerca corrente
60
Linea di Ricerca 1
2.0
1.6
1.2
0.8
Fig. 2
5
Atropine
Propanolol
7 10 20 30 50 70 100
Time Scale [s]
Spettri dei coefficienti di autosomiglianza per l’intervallo cardiaco in 9
volontari durante blocco vagale con atropina e blocco simpatico cardiaco
con propranololo (mediana e SE). Le efferenze vagali contribuiscono
con componente di rumore bianco (coefficienti intorno a 0.5) mentre
le efferenze simpatiche contribuiscono con componente di moto
browniano (coefficienti intorno a 1.5). Rielaborato da (Castiglioni et al.,
J Physiol., 2011).
Per quanto riguarda l’algoritmo di stima della dimensione
frattale, i risultati ottenuti con segnali simulati hanno mostrato
un ottimo comportamento in termini di polarizzazione
dello stimatore, e performance superiori a quelle di metodi
analoghi descritti in letteratura.
I risultati degli esperimenti con blocco autonomico selettivo
indicano che le efferenze vagali e simpatiche contribuiscono
in maniera differente alla struttura di scala dei segnali
cardiovascolari. Le efferenze vagali contribuiscono con una
componente di “rumore bianco”, mentre le efferenze simpatiche
contribuiscono con componenti di moto browniano
(Fig. 2). I risultati sono verosimilmente dovuti alla differente
dinamica di diffusione e riassorbimento dei neurotrasmettitori
simpatici e vagali, e permetteranno di comprendere
meglio possibili alterazioni cliniche nella struttura di autosomiglianza
di questi segnali.
PRODOTTI SCIENTIFICI
– Castiglioni P, Parati G, Lombardi C, Quintin L, Di Rienzo M.
Assessing the fractal structure of heart rate by the temporal
spectrum of scale exponents: a new approach for
detrended fluctuation analysis of heart rate variability. Biomed
Tech (Berl). 2011 May 16.
– Castiglioni P, Di Rienzo M, Parati G. How should the baroreflex
sensitivity on the heart be estimated? J Electrocardiol.
2011 May-Jun;44(3):391-2.
– Castiglioni P, Parati G, Brambilla L, Brambilla V, Gualerzi
M, Di Rienzo M, Coruzzi P. Detecting sodium-sensitivity
in hypertensive patients: information from 24-hour ambulatory
blood pressure monitoring. Hypertension. 2011
Feb;57(2):180-5.
– Castiglioni P, Parati G, Di Rienzo M, Carabalona R, Cividjian
A, Quintin L. Scale exponents of blood pressure and heart
rate during autonomic blockade as assessed by detrended
fluctuation analysis. J Physiol. 2011 Jan 15;589(Pt 2):355-69.
– Castiglioni P. What is wrong in Katz’s method? Comments
on: “A note on fractal dimensions of biomedical waveforms”.
Comput Biol Med. 2010 Nov-Dec;40(11-12):950-2.
– Di Rienzo M, Castiglioni P, Rizzo F, Faini A, Mazzoleni P,
Lombardi C, Meriggi P, Parati G. Highcare investigators.
Linear and fractal heart rate dynamics during sleep at high
altitude. Investigation with textile technology. Methods Inf
Med. 2010;49(5):521-5.
– Radaelli A, Castiglioni P, Balestri G, Cesana F, De Carlini C,
Soriano F, Azzellino A, Di Rienzo M, Paolini G, Ferrari AU,
Mancia G. Increased pulse wave velocity and not reduced
ejection fraction is associated with impaired baroreflex
control of heart rate in congestive heart failure. J Hypertens.
2010 Sep;28(9):1908-12.

Sviluppo di metodiche per l’interfacciamento
cervello-calcolatore (Brain-Computer Interface)
Responsabile: Castiglioni Paolo
INTRODUZIONE
Le interfacce cervello-computer (d’ora in poi BCI) permettono
all’utente di interagire con l’ambiente senza dover utilizzare
canali muscolari. Tale interazione va intesa in senso ampio,
potendo specificarsi sia nella produzione di testo per comunicazione
con altri sia nella possibilità di comandare direttamente
l’ambiente nel quale la persona disabile vive. La natura
peculiare dei sistemi BCI è legata al fatto che tali sistemi si
basano sull’analisi delle modificazioni del segnale cerebrale
dell’utente, indotte attraverso l’esecuzione di un compito cognitivo
da parte dell’utente stesso. Alla luce dei risultati scientifici
ottenuti sulla neuroplasticità, questa caratteristica rende
i sistemi BCI potenzialmente utilizzabili non solo in qualità di
tecnologie assistive dedicate a persone con gravi disabilità,
ma anche come strumenti di neuroriabilitazione.
OBIETTIVI
Data la duplice natura caratterizzante i sistemi BCI messa in
evidenza più sopra, l’attività di ricerca ha avuto due obiettivi
riferibili ai due ambiti “tecnologia assistiva” e “strumento
per neuroriabilitazione”:
1. ambito tecnologia assistiva: produrre un dimostratore relativo
alla possibilità di interfacciare un sistema BCI con
l’appartamento domotico presente all’interno del DAT. In
relazione a ciò, si rende quindi necessario identificare: il
tipo di connessione hardware più efficiente tra sistema
BCI e BUS dell’appartamento domotico; il paradigma BCI
più adatto per comandare gli effettori della casa domotica
e, infine, un’interfaccia software tra utilizzatore e computer
sufficientemente amichevole e intuitiva;
2. ambito neuroriabilitazione: studiare il ruolo a breve termine
del feedback fornito all’utente.
METODI
La cornice concettuale entro la quale viene definito il compito
cognitivo assegnato all’utente viene definita paradigma.
Nell’ambito della presente ricerca sono stati utilizzati due
paradigmi differenti.
Il primo è associato al potenziale evento-relato visivo de-
Linea di Ricerca 1
nominato P300. In accordo a questo paradigma, all’utente
è assegnato un compito visuo-attentivo consistente nel
prestare attenzione a un elemento (lettera, numero...) tra
36 possibili. Tali elementi sono raggruppati in una matrice
che il soggetto vede nel monitor posto di fronte a lui e le
cui righe/colonne vengono intensificate casualmente per
un predefinito numero di volte: questa interfaccia software
prende il nome di speller P300.
Il secondo paradigma (motor imagery) origina invece dal fenomeno
di desincronizzazione/sincronizzazione del segnale
cerebrale che si ha in relazione all’immaginazione di un atto
motorio. In questo caso all’utente viene chiesto di immaginare
di compiere un movimento.
A prescindere dal paradigma considerato, ogni sessione
sperimentale ha compreso due fasi: training e performance.
Durante la prima fase i soggetti possono ricevere un feedback
privo di significato (speller P300) oppure non ricevere
affatto feedback (motor imagery). Durante la seconda fase
(performance), i soggetti ricevono sempre un feedback.
RISULTATI
Con riferimento alla realizzazione del dimostratore relativo
all’interfacciamento BCI-appartamento domotico, la valutazione
di differenti scenari ha portato alla realizzazione di un’interfaccia
tra l’uscita del sistema BCI e BUS dell’appartamento
domotico basato su un modulo hardware programmabile
fornito dall’Università degli Studi di Parma. Tale dispositivo è
stato collegato via WI-FI al sistema BCI e direttamente al BUS
dell’appartamento domotico. Per quanto riguarda la scelta
del paradigma più adatto, si è deciso di utilizzare il paradigma
P300, data la maggiore accuratezza raggiungibile con questo
paradigma rispetto a quello basato su immaginazione motoria.
Conseguentemente, il tipo di interfaccia software da proporre
al soggetto che utilizza il sistema BCI è risultato essere
una matrice tipo speller P300. Dovendo essere utilizzata per
comandare l’ambiente, la matrice deve consentire di identificare
i diversi attuatori presenti all’interno dell’appartamento
domotico. Per questo fine sono sostanzialmente possibili due
approcci descrittivi: il primo basato su sostantivi, il secondo su
icone. Questa ultima modalità è stata ritenuta più adatta poiché
più intuitiva. Pertanto è stata implementata una matrice
Ricerca corrente
61

Ricerca corrente
62
Linea di Ricerca 1
di icone rappresentanti i diversi attuatori della casa domotica,
nonché stati d’animo o ancora specifiche richieste dell’utente.
Durante l’utilizzo del sistema, l’intensità luminosa delle
icone varia casualmente per righe e per colonne seguendo la
medesima logica utilizzata per sistemi speller tradizionali, cioè
basati su caratteri.
Una volta realizzato, il dimostratore del sistema BCI-casa domotica
è stato provato sia attraverso simulazioni sia coinvolgendo
utenti volontari. Le prove con comandi simulati, volte
a saggiare l’interfacciamento hardware tra l’uscita del sistema
BCI e il BUS dell’appartamento domotico, non hanno rilevato
problemi tecnici nella connessione. Per quel che riguarda
la prova con utenti reali, il sistema è stato inizialmente
provato con due soggetti sani (26 e 52 anni, rispettivamente)
i quali sono stati sottoposti a due prove in modalità copy
spelling (cioè con sequenza di caratteri/comandi definita a
priori): composizione di una parola con speller tradizionale
e selezione di una serie di comandi utilizzando la matrice a
icone. Entrambe le prove sono state effettuate all’interno
dell’appartamento domotico presente nel DAT, in modo tale
che nel caso della selezione con matrice a icone il feedback
fornito al soggetto fosse costituito proprio dall’attivazione di
uno degli attuatori presenti nell’appartamento domotico. I
risultati ottenuti (riportati in termini di accuratezza della classificazione)
sono stati soddisfacenti: soggetto A, 100% con
lo speller e 100% con icone; soggetto B, 80% con lo speller
e 75% con icone.
Visti i risultati positivi ottenuti nelle precedenti prove, sono
stati reclutati soggetti volontari affetti da malattie neurodegenerative
(tre affetti da Sclerosi Multipla e uno da atassia di
Freidreich). Anche in questo caso, le acquisizioni sono state
effettuate all’interno del DAT. I risultati ottenuti sono confrontabili
con quelli di letteratura relativi all’uso di uno speller tradizionale,
anche se l’accuratezza con cui viene identificato lo
stimolo che elicita la P300 risulta in prevalenza più bassa per
lo speller a icone rispetto a quello alfanumerico (tradizionale).
Inoltre, l’interazione con utenti disabili ha evidenziato alcune
criticità nell’uso di un sistema BCI sia come comunicatore sia
come strumento per comandare un appartamento domotico.
I risultati ottenuti con volontari disabili sono stati presentati al
congresso internazionale “i-CREATe” dedicato all’Ingegneria
della Riabilitazione e alle Tecnologie Assistive.
In relazione all’uso di sistemi BCI come strumenti per la neuroriabilitazione,
sono state effettuate prove su volontari sani.
Tali prove suggeriscono che il feedback fornito al soggetto
durante sessioni BCI svolge un ruolo importante nel processo
riabilitativo e sono state presentate in occasione di due
congressi internazionali di bioingegneria.
PRODOTTI SCIENTIFICI
– Carabalona R, Castiglioni P, Gramatica F. Brain-computer
interfaces and neurorehabilitation. In: Gaggioli A, Keshner
A, Weiss PL, Riva G (Eds.). Advanced Technologies
in Rehabilitation – Empowering Cognitive, Physical, Social
and Communicative Skills through Virtual Reality, Robots,
Wearable Systems and Brain-Computer Interfaces. Amsterdam:
IOS Press (2009), 160–176.
– Guger C, Daban S, Sellers E, Holzner C, Krausz G, Carabalona
R, Gramatica F, Edlinger G. How many people are able
to control a P300-based brain-computer interface (BCI)?
Neurosci Lett., 462(1):94-98, Oct 2009.
– Carabalona R, Grossi F, Tessadri A, Caracciolo A, Castiglioni
P, de Munari I. Home smart home: brain-computer interface
control for real smart home environments. In: Proceedings
of the 4 th International Convention on Rehabilitation
Engineering & Assistive Technology, Shanghai, China, Aug
2010, 51:1–51:4.
– Carabalona R, Castiglioni P. To feedback or not to feedback?
Some open questions for brain-computer interfaces
use, In: IFMBE Proceedings, Munich (Germany), Sept
2009, vol. 25/9, 309–311.
– Carabalona R. Attitude of the Subject Towards Feedback
and Its Implications for BCI Use in Neurorehabilitation, In:
ISABEL Proceedings, Rome (Italy), Nov 2010.

Studio multicentrico sulla valutazione del valore
aggiunto della analisi strumentale del cammino
nel processo di decisione clinica nel paziente
con esiti di ictus cerebrale stabilizzato
Responsabile: Rabuffetti Marco
INTRODUZIONE
La Ricerca sul movimento umano, che negli anni ’90 ha dedicato
le maggiori energie allo sviluppo delle metodologie
di misura, ha progressivamente spostato i propri interessi
allo studio delle patologie che determinano disturbi del movimento
e della locomozione mediante l’osservazione di gruppi
di pazienti omogenei selezionati e infine negli ultimi anni
il focus si è spostato sul valore dell’analisi strumentale del
cammino (gait analysis) nella pratica clinica, ovvero nella gestione
del singolo caso. L’applicazione clinica, pur praticata
fin dagli esordi della disciplina, è ora considerata anche allo
scopo di evidenziarne il valore aggiunto rispetto all’approccio
tradizionale.
Presso la Fondazione Don Gnocchi, che nei suoi diversi Centri
può annoverare 6 laboratori per l’analisi strumentale del
movimento rappresentando quindi la realtà italiana più importante,
sono stati attivati negli ultimi anni diverse attività di
ricerca dedicate a questo tema. Le due Ricerche Correnti in
oggetto consecutivamente attivate realizzano tale obiettivo
con particolare riferimento a pazienti con esiti di ictus.
OBIETTIVI
Il primo obiettivo è la ridefinizione dell’esame strumentale
del cammino per quanto riguarda i task locomotori considerati:
cammino a velocità normale e a velocità aumentata
(ovvero velocità massima compatibilmente con criteri di sicurezza).
Lo studio di come il cammino a velocità aumentata
viene realizzato dal soggetto con emiplegia è rilevante per
la comprensione del deficit motorio e per la identificazione
delle risorse funzionali residue fondamentali nell’impostazione
di un progetto terapeutico, ovvero può rappresentare un
valore aggiunto clinico.
Il secondo obiettivo è la valutazione e dimostrazione che
l’utilizzo della gait analysis nel processo di decisione clinica
(ovvero in una fase di valutazione funzionale prognostica,
nella fase di disegno del progetto riabilitativo, nella valutazio-
Linea di Ricerca 1
ne dell’outcome terapeutico, nella valutazione dell’effetto a
distanza di tempo) rappresenti un valore aggiunto rispetto
all’approccio tradizionale basato sull’esame clinico e sulla
adozione di scale cliniche semiquantitative.
Il perseguimento dei due obiettivi citati implica una sperimentazione
su una popolazione di soggetti con esiti di ictus
cerebrale: un gruppo che, pur condividendo diagnosi ed
eziologia, potenzialmente presenta una variabilità dei sintomi
e dei danni che richiede un approccio personalizzato e che
quindi si presta a dimostrare l’utilità di metodi strumentali.
METODI
In relazione al primo obiettivo, il protocollo di analisi del cammino
generalmente adottato, che consiste in un congruo numero
di ripetizioni di cammini a una velocità autonomamente
scelta dall’individuo, è stato integrato da una seconda parte
in cui l’individuo realizza cammini a velocità aumentata. I metodi
di analisi biomeccanica sono i medesimi e il confronto
tra le due modalità può avvenire mediante il confronto dei
profili delle diverse variabili biomeccaniche (angoli, momenti
e potenze articolari e segmentali) e mediante il confronto
di parametri estratti dai dati sperimentali. Il set di parametri
tradizionalmente considerato nell’analisi del cammino (velocità,
cadenza, lunghezza passi, valori di picco e di range delle
variabili) è stato arricchito nell’ambito delle presenti ricerche
mediante l’identificazione di parametri rilevanti per il processo
terapeutico: il timing e la quantità del lavoro meccanico
prodotto alle articolazioni in riferimento alle sottofasi del passo
sono elementi fondamentali nella riabilitazione locomotoria.
I parametri misurati sono stati confrontati con dati normativi
ottenuti a velocità comparabili. La variazione normale
dei parametri per cammini a velocità diverse rappresenta il
termine di paragone per i risultati nei soggetti con emiplegia:
in questi termini la variazione osservata nel singolo paziente
tra le prove a velocità preferita e a velocità aumentata può
essere valutata in riferimento alla variazione normale corrispondente,
potendo risultare confrontabile, maggiore o minore
di questa.
In relazione al secondo obiettivo, l’approccio scelto ha richiesto
la definizione di un protocollo per cui il paziente con emiplegia
è valutato in modo tradizionale, ovvero senza il contri-
Ricerca corrente
63

Ricerca corrente
64
Linea di Ricerca 1
buto dell’analisi strumentale del cammino, successivamente
l’individuo è sottoposto ad analisi strumentale del cammino
e infine il medico ripete la valutazione considerando anche i
risultati della gait analysis. Dal confronto tra le due decisioni,
quella pre-gait e quella post-gait, è evidenziabile il valore aggiunto,
ovvero in prima istanza l’eventuale differenza tra le
due valutazioni, in seconda istanza è possibile riconoscere
come valore aggiunto l’eventuale conferma della decisione
pre-gait con un livello aumentato di confidenza. Tale confronto
richiede la formalizzazione del processo decisionale: il modello
di decisione studiato nelle presenti ricerche consiste
in quattro classi di decisione di primo livello (indicazioni di
terapia fisica, di blocco muscolare farmacologico – tossina
botulinica – di fornitura di ausili e ortesi, di trattamento chirurgico).
Ciascuna classe di decisione include poi un secondo
livello in cui sono specificati rispettivamente o il tipo di
riabilitazione, o le sedi muscolari da infiltrare con tossina, o il
tipo di ortesizzazione, o il tipo di intervento chirurgico. In accordo
a questa distinzione su due livelli delle decisioni cliniche,
è valutata come modifica maggiore quella che riguarda
il primo livello, come modifica minore quella che riguarda il
secondo livello.
RISULTATI
In relazione al primo obiettivo, è stato condotto uno studio
che ha incluso 20 soggetti con emiparesi agli arti inferiori
per esiti di stroke candidati a un programma riabilitativo della
funzione locomotoria.
Tab. 1 – Outcome variables at pre-treatment, post-treatment and follow-up
Pre
(n=10)
Ankle power peak (W/kg) 0.63 (0.65) a
I pazienti sono stati suddivisi in due sottogruppi: 10 in un
braccio con riabilitazione tradizionale e 10 in un braccio con
riabilitazione basata sui concetti di motor learning e di biofeedback
(BFB).
Analisi del cammino sono state eseguite per i due gruppi
trattati dopo il trattamento e a un follow-up a 6 settimane.
Un sommario dei risultati osservati è riportato nella Tab. 1,
da cui si evince che il trattamento con BFB ha portato a un
aumento significativo dalla potenza alla caviglia al push-off,
insieme a un aumento della velocità e della lunghezza del
passo. È interessante notare che tali aumenti si sono mantenuti
anche al follow-up a 6 settimane.
In relazione al secondo obiettivo, la raccolta dati è stata
svolta presso i laboratori di Milano, Parma e Firenze. Mentre
il protocollo di raccolta dati, implementato su un server
interno alla Fondazione Don Gnocchi, sta continuando la
sua attività oltre i limiti biennali della presente relazione,
un data set preliminare riferito a 10 esami è stato considerato
per impostare i metodi di analisi e per fornire risultati
preliminari.
I risultati preliminari dello studio hanno mostrato come su
10 pazienti con esiti di ictus considerati nell’analisi, si sono
osservati due casi (20%) di modifiche di primo livello della
tipologia terapeutica, tre casi (30%) di modifiche di secondo
livello di caratteristiche dell’intervento terapeutico la cui tipologia
non è stata però modificata e cinque (50%) di decisioni
non modificate. È rilevante notare come nelle decisioni im-
Experimental Group Control Group
Post-treatment
(n=10
Follow-up
(n=9)
Pre
(n=10)
Post-treatment
(n=10
Follow-up
(n=9)
1.04 (0.65) 1.01 (0.58) 0.40 (0.48) 0.47 (0.37) 0.48 (0.39)
Velocity (%h/s) 28.7 (10.8) 39.6 (7.6) 38.8 (8.9) 26.3 (11.9) 27.9 (14.3) 28.4 (14.3)
Stride lenght (%h) 44.5 (12.9) 57.7 (9.3) 57.1 (9.8) 40.5 (14.7) 41.9 (15.9) 42.0 (15.1)
Knee flexion peak (degrees) 44.1 (8.8) 51.4 (9.2) 51.1 (9.1) 33.4 (15.9) 35.0 (16.2) 35.2 (15.8)
Abbreviations: %h/s, percentage height per second; %h, percentage height.
a Means are given, with standard deviation in parentheses.

mutate, la confidenza del medico nella decisione stessa sia
aumentata, sia pur in modo lieve.
PRODOTTI SCIENTIFICI
– Jonsdottir J, Recalcati M, Rabuffetti M, Casiraghi A, Boccardi
S, Ferrarin M. Functional resources to increase gait
speed in people with stroke: strategies adopted compared
to healthy controls. Gait Posture. 2009 Apr;29(3):355-9.
Epub 2009 Feb 11.
– Jonsdottir J, Cattaneo D, Recalcati M, Regola A, Rabuffetti
M, Ferrarin M, Casiraghi A. (2010) Task-oriented biofeedback
to improve gait in individuals with chronic stroke:
motor learning approach. Neurorehabil Neural Repair. 2010
Jun;24(5):478-85.
– Castagna A, Rabuffetti M, Montesano A, Ferrarin M. (2010)
Role of gait analysis in the process of clinical decision making
concerning post-stroke patients. XI Congresso Nazionale
SIAMOC, Ferrara, 4-7 ottobre 2010.
Linea di Ricerca 1
Sviluppo di test computerizzati
per l’indagine neuropsicologica e l’analisi
dell’espressione grafica
Responsabile: Rabuffetti Marco
INTRODUZIONE
L’indagine neuropsicologica è tradizionalmente svolta mediante
test clinici che utilizzano metodiche semplici: tra gli
altri sono disponibili esercizi con oggetti da manipolare o con
attività grafiche da svolgere. La valutazione delle performance
in questi test (comunemente definiti test carta-e-matita) è
generalmente ristretta agli score finali, ovvero “cosa” il soggetto
è riuscito a realizzare, mentre il “come” il risultato è stato
raggiunto spesso è trascurato nella valutazione registrata,
riducendosi al tempo totale utilizzato e raramente includendo
elementi aggiuntivi. La validità clinica degli approcci carta-ematita
è consolidata ma relativamente povera di dettagli. In
questo contesto, uno sviluppo di metodi quantitativi di valutazione
delle performance cognitive è percepito in modo urgente
dalla comunità dei neuropsicologi sia per le applicazioni
cliniche che per le applicazioni di ricerca scientifica.
OBIETTIVI
L’attività nel biennio 2009-2010 relativa alla presente Ricerca
Corrente sui temi di indagine neuropsicologica e di analisi
dell’espressione grafica ha principalmente riguardato,
in collaborazione con la Prof Anna Berti del Dipartimento
di Psicologia dell’Università degli Studi di Torino, l’analisi
dell’intenzione motoria in soggetti emiplegici, emiparetici e
anosognosici per emiplegia. Questo obiettivo ha richiesto
lo sviluppo, o l’adattamento, di diversi setup strumentali in
grado di quantificare i diversi aspetti di una performance cognitiva;
tali aspetti consistono sia nello score finale, sia negli
aspetti temporali e spaziali (come evolve nel tempo e nello
spazio una performance) e nell’identificazione di indici di performance.
Il focus della ricerca è stato su test bimanuali in
cui i due arti compiono azioni potenzialmente interferenti in
ragione delle diverse caratteristiche dei due gesti: l’ipotesi
dello studio è che l’interferenza normalmente presente (e
già dimostrata assente in pazienti particolari come quelli con
lesioni del corpo calloso) scompaia/diminuisca in soggetti
senza consapevolezza motoria (anosognosici). Un’applica-
Ricerca corrente
65

Ricerca corrente
66
Linea di Ricerca 1
zione del metodo considera l’ulteriore ipotesi che il fattore
confondente non sia il compito svolto dalla mano controlaterale
bensì lo stesso gesto eseguito da un altro individuo. In
questa ottica i test proposti sono stati utilizzati per studiare
un effetto “mirror” determinato dall’osservazione di un gesto
potenzialmente confondente.
METODI
Il paradigma fondamentale considerato consiste nello svolgimento
di compiti bimanuali in contemporanea potenzialmente
interferenti in soggetti sani (come dimostrato tra gli
altri da noti esperimenti di Gazzaniga, di Kelso o di Ramachandran).
Lo sviluppo metodologico è consistito nella traduzione/adattamento
di quegli esperimenti su piattaforme
testistiche innovative che consentono la misura dettagliata
della performance.
Il test OeI (derivato da Ramachandran) consiste nel disegno
in contemporanea di una serie di righe con la mano destra e
di una serie di cerchi con la mano sinistra. Tale compito induce
nel soggetto sano una “ovalizzazione” della riga. Il setup
sperimentale sviluppato consiste in un tablet PC in grado di
registrare il tratto disegnato. Il dato grezzo misurato, ovvero
la traiettoria della penna che traccia numerosi cicli del disegno
richiesto, è poi analizzato mediante modelli sviluppati
ad hoc che oltre a quantificare l’ovalizzazione, evidenziano
eventuali trend temporali di progressivo aumento/riduzione
della ovalizzazione.
Il secondo test ispirato dagli esperimenti di Kelso consiste in
un test di reazione, implementato su una tavoletta hardware
costruita ad hoc con pulsanti di dimensioni diverse in posizioni
diverse da premere contemporaneamente. In questo setup
si misura il tempo di reazione mentre gli aspetti spaziali sono
“embedded”, rappresentati dalle diverse posizioni dei tasti.
Un terzo protocollo sperimentale, ispirato anch’esso a esperimenti
di Kelso, richiede compiti di presa (grasping o pinching
a seconda che la presa coinvolga tutta la mano o solo le
estremità delle dita) contemporanea di due cilindri di diametri
diversi. La misura della performance è realizzata mediante sistemi
di analisi del movimento basati su sensori optoelettronici
(gli stessi strumenti utilizzati nella gait analysis). L’effetto
di questo task bimanuale è confrontato con le condizioni di
presa unimanuale e di presa bimanuale di cilindri di uguale
dimensione. In questo studio i distretti anatomici prevalentemente
coinvolti sono quelli prossimali (gomito e spalla). Tale
sviluppo è complementare al primo protocollo sperimentale
relativo al disegno contemporaneo di righe e cerchi (OeI) che
per sua natura coinvolge prevalentemente i distretti distali
(mano e polso).
RISULTATI
La campagna sperimentale con test OeI ha coinvolto, nel
biennio 2009-2010, 142 soggetti normali di controllo con età
a partire da 6 anni. Lo stesso test è stato somministrato a 2
soggetti emiplegici anosognosici e 3 soggetti emiplegici non
anosognosici.
L’applicazione del test OeI allo studio dell’effetto mirror è
stata svolta analizzando 8 coppie di gemelli in cui un gemello
esegue il compito confondente di fronte al gemello analizzato
(per massimizzare l’effetto mirror confondente) e 20
pazienti selezionati con lesioni cerebrali.
Il test di grasping bimanuale è stato somministrato a 10 soggetti
utilizzando una presa pinching e a 10 soggetti con una
presa grasping. In 10 soggetti si è analizzato il grasping in
presenza di un soggetto che esegue compiti confondenti
(per esempio la presa di un cilindro di dimensioni diverse da
quello che sta afferrando il soggetto in analisi).
In un sottogruppo ristretto di pazienti selezionati delle sperimentazioni
precedentemente descritte sono stati eseguiti
uno studio sperimentale dell’effetto temporale (in termini di
aumento/diminuzione delle latenze) mediante il test sulle reazioni
derivato dal protocollo di Kelso.
L’analisi dei dati delle campagne sperimentali svolte è in
corso. Dati preliminari hanno consentito il riconoscimento di
effetti “fisiologici” attesi (l’interferenza di un compito incongruente)
nei compiti bimanuali che possono essere a loro
volta presenti o assenti in soggetti con emiplegia a seconda
della presenza o meno di anosognosia. Tali pazienti rappresentano
quindi modelli in vivo per lo studio dell’intenzione
(intention) e della consapevolezza (awareness) motoria e
per la verifica di modelli teorici dell’organizzazione del movimento
volontario. L’analisi dei dati nelle condizioni in cui
l’elemento incongruente/confondente consiste nella perfor-

mance di un soggetto posto di fronte ha prodotto risultati
parziali; è infatti ben noto che l’evidenza di effetti di tipo mirror
presentano variabilità interindividuali importanti.
PRODOTTI SCIENTIFICI
– Cantagallo A, Spinazzola L, Rabuffetti M, Della Sala S. Verbal
commands help the execution of endogenous movements
in anarchic hand. Neuropsychol Rehabil. 2010
Jun;20(3):406-22.
– Garbarini F, Rabuffetti M ,Tocchi G, Frassinetti F, Pia L,
Piedimonte A, Ferrarin M, Driver J, Berti A. (2010) The effects
of conscious intention to move on motor execution:
evidence from anosognosia for hemiplegia. Twenty eighth
Workshop on Cognitive Neuropsychology. Bressanone
(Italy), 25-29 January 2010.
– Piedimonte A, Garbarini F, Ferrarin M, Berti A, Rabuffetti M.
Grasping in the mirror: the interference of action observation
on action execution. 29° European Workshop on Cognitive
Neuropsychology, Bessanone (Italy), 23-28 January 2011.
Linea di Ricerca 1
Studio osservazionale sull’efficacia del dispositivo
MeCFES per migliorare la presa di tenodesi
in soggetti con tetraplegia
Responsabile: Thorsen Rune
INTRODUZIONE
Molti pazienti con tetraplegia da lesione midollare presentano
difficoltà nelle attività del vivere quotidiano che comportano
l’uso degli arti superiori. Uno dei principali problemi
riguarda la mancanza o ridotta forza della presa manuale.
L’approccio clinico standard della “presa per tenodesi”, nella
quale l’estensione del polso genera la flessione passiva
delle dita, spesso non è sufficiente per espletare le azioni
della vita quotidiana. Non esistono attualmente dispositivi in
commercio che aiutino i pazienti con tetraplegia a migliorare
attivamente la presa, se si esclude il sistema NESS Handmaster,
un’ortesi combinata a un neurostimolatore che però
presenta dei limiti nella controllabilità in quanto il paziente
deve usare una mano per attivare lo stimolatore e quindi la
presa. Il dispositivo MeCFES, oggetto del presente studio,
permette di migliorare la presa manuale tramite la contrazione
artificiale dei muscoli flessori delle dita (deficitari), indotta
da stimolazione elettrica la cui intensità è controllata dal
paziente stesso tramite l’attivazione volontaria dei muscoli
estensori del polso. In pratica il MeCFES permette di aumentare
la forza della presa di tenodesi tramite l’intervento
attivo dei muscoli flessori delle dita.
Alla presente ricerca hanno partecipato, oltre al Polo Tecnologico
dell’IRCCS SMN della FDG, anche le Unità Spinali
dell’Ospedale Ca’ Granda di Niguarda (USN) e dell’Ospedale
di Sondalo (USS). Inoltre ha collaborato l’Istituto di Ricerche
Farmacologiche Mario Negri di Milano.
OBIETTIVI
L’obiettivo del presente progetto è di stabilire qual è, nella
popolazione dei soggetti affetti da tetraplegia, la percentuale
di pazienti che può trarre vantaggio dall’uso del MeCFES:
• in termini di miglioramento della funzionalità della mano,
• in termini di utilità per la vita quotidiana.
METODI
È stato effettuato uno screening di tutte le cartelle cliniche dei
pazienti afferenti a USN e USS da gennaio 2002 a dicembre
Ricerca corrente
67

Ricerca corrente
68
Linea di Ricerca 1
2009, che presentavano lesione spinale a livello cervicale. Dallo
screening sono state selezionate le cartelle dei pazienti che
rispondevano ai seguenti criteri di inclusione (criteri per cartella
clinica): livello della lesione compreso fra C5 e C7, età compresa
fra 18 e 80 anni, lesione stabilizzata (trauma precedente a 6
mesi). Inoltre è stato preso in considerazione un sottocampione
di pazienti con lesione C4 per verificare l’ipotesi di essere non
responder. Partendo dalle cartelle selezionate e tramite contatto
telefonico, sono stati individuati i pazienti logisticamente includibili
nello studio e disposti a partecipare (criteri per richiamo
telefonico/a voce). Tramite visita medica, sono infine stati individuati
i pazienti adatti all’applicazione del dispositivo MeCFES,
cioè quelli che presentavano un punteggio ARAT compreso fra
1 e 51 e una risposta positiva alla stimolazione elettrica dei flessori
delle dita e del pollice (criteri per valutazione clinica). Questi
pazienti sono quindi stati inclusi in un programma di 12 sessioni
di terapia occupazionale (TO) assistita da MeCFES per lo svolgimento
di attività del vivere quotidiano (ADL).
I 27 pazienti inclusi nella parte sperimentale dello studio
sono stati sottoposti alle seguenti valutazioni prima e dopo
il programma di TO:
• test funzionale dell’arto superiore (ARAT-Action Research
Arm Test),
• questionario IPPA (Individually Prioritised Problem Assessment),
• questionario QUEST (Quebec User Evalution of Satisfaction
with Assistive Technology).
Ai pazienti è infine stato chiesto se volessero utilizzare il dispositivo
(qualora fosse disponibile) durante la vita quotidiana
in autonomia (QUADL – Question of Utility for the Activities
of Daily Living).
RISULTATI
Sono state raccolte 254 cartelle cliniche. Dopo esclusione
delle cartelle non soddisfacenti i criteri d’inclusione e la
successiva richiesta di partecipazione allo studio, sono stati
contattati 167 pazienti di cui 84 sono poi stati esaminati direttamente.
Di questi, 27 hanno soddisfatto i criteri per la
valutazione clinica e concluso il programma di terapia occupazionale
assistita da MeCFES. La percentuale di pazienti
che hanno avuto un miglioramento dopo il periodo d’uso del
MeCFES in terapia occupazionale è stata, nelle diverse valutazioni,
dell’85% all’ARAT, del 100% all’IPPA, e del 52% per
coloro che hanno infine dichiarato di voler utilizzare il dispositivo
MeCFES in autonomia se fosse stato disponibile.
Il test funzionale della mano (ARAT) ha dimostrato un miglioramento
mediano di 3 [scarto interquartile 2;6] punti ARAT.
L’utilizzo del dispositivo nel corso della TO ha dimostrato un
piccolo effetto carry-over dovuto al dispositivo che ha migliorato
la presa “naturale”. 8 casi su 27 hanno avuto un
miglioramento di almeno 6 punti (considerato clinicamente
rilevante). 14 pazienti hanno infine dichiarato che avrebbero
utilizzato il dispositivo MeCFES in autonomia se fosse stato
disponibile (QUADL). Sulla scala IPPA la TO con MeCFES
ha migliorato in tutti i soggetti la capacita di svolgere compiti
da loro preselezionati rispetto alla presa naturale (senza
MeCFES), con una media di 4.2 [SD:2.9], con conseguente
dimostrazione di un effetto positivo sulle attività della vita
quotidiana.
I principali limiti del sistema attuale, individuati tramite il
questionario QUEST, riguardano la difficoltà di regolazione
e applicazione e il peso. Questi sono dunque gli aspetti che
dovranno essere migliorati in future versioni del dispositivo.
PRODOTTI SCIENTIFICI
– Thorsen R, Della Costa D, Chiaramonte S, Binda L, Redaelli
T, Occhi E, Beghi E, Converti RM, Ferrarin M. Clinical trial
of Myoelectrically controlled FES (MeCFES) for assisting
hand function in subjects with tertaplegia – A study of user
population, orthotic effect and ADL use. Proceedings of
the 13 th Annual Conference of the International FES Society,
21-25 September 2008, Freiburg (Germany), 2008.
In: Biomedizinische Technik, 53, Supplement 1, pp. 37-39,
2008.
– Thorsen R, Ferrarin M. Battery Powered Neuromuscular
Stimulator Circuit for Use During Simultaneous Recording
of Myoelectric Signals. Med Eng Phys, 31:1032-1037, 2009.
– Dalla Costa D, Chiaramonte S, Redaelli T, Thorsen T, Binda
L, Occhi E, Beghi E, Converti R, Ferrarin M. Clinical trial
of Myoelectrically controlled FES (MeCFES) for assisting
hand function in subjects with tetraplegia – A study of
usersatisfaction. Proc. of the 48° ann. Scientific Meeting

of the Int. Spinal Cord Society. Firenze (Italy), 21 Oct. 2009,
pp. 134-135, 2009.
– Dalla Costa D, Chiaramonte S, Redaelli T, Thorsen R, Binda
L, Occhi E, Beghi E, Converti R, Ferrarin M. La MeCFES
(Myoelectrically controlled FES) per l’assistenza della mano
funzionale nei soggetti tetraplegici. Studio sulla popolazione
dell’utilizzo come ortesi e nelle ADL. XIV Congresso Nazionale
SOMIPAR, 18-20 marzo 2010, Palermo (Italy), 2010.
– Thorsen R, Dalla Costa D, Chiaramonte S, Binda L, Redaelli
T, Occhi E, Beghi E, Converti R, Ferrarin M. Multicenter
clinical trial of Myoelectrically-controlled FES (MeCFES) for
assisting hand function in subjects with tetraplegia – A study
of user population, orthotic effect and ADL use. 15 th Annual
International FES Society Conference and 10 th Vienna
Int. Workshop on FES Vienna (Austria), September 8 th -12 th ,
2010.
– Thorsen R, Binda L, Chiaramonte S, Dalla Costa D, Redaelli
T, Occhi E, Beghi E, Ferrarin M. Hand function, neurological
level, severity and muscle strength after cervical spinal cord
lesion – A regional study in Northern Italy. Archives of Physical
Medicine and Rehabilitation (to be submitted), 2011.
Linea di Ricerca 1
Studio e sviluppo di tecnologie innovative per la
riabilitazione motoria
Responsabile: Ferrarin Maurizio
Questo progetto (formalmente terminato il 31/12/2009) è
proseguito nel 2010 con il progetto di Ricerca Corrente dal
titolo “Sviluppo e applicazione di tecnologie innovative per
la neuroriabilitazione”. La presente relazione riassume il razionale,
i metodi, le attività e i risultati dei due progetti, che
sono da considerarsi in continuità l’uno con l’altro.
INTRODUZIONE
La riabilitazione di pazienti con disabilità motorie può trarre notevole
vantaggio dalle possibilità offerte dalle tecnologie avanzate.
L’approccio modellistico consente di sviluppare e validare
in simulazione sistemi di controllo innovativi per la FES o
attuatori per ortesi/protesi attive. Inoltre l’uso di sistemi di stimolazione
elettrica o di attuazione meccanica consente lo studio
delle risposte e degli adattamenti del sistema di controllo
del movimento anche in condizioni di gravi compromissioni
motorie (emi/para/tetraplegie). Infine le stimolazioni visive e/o
acustiche possono fornire trigger facilitatori al movimento in
alcune patologie del SNC (per es.: Malattia di Parkinson). L’uso
integrato di competenze multidisciplinari di elettronica, meccanica,
sensoristica, modellistica, signal processing, con conoscenze
di fisiologia, patofisiologia, neuroriabilitazione è una
necessaria premessa per lo sviluppo e la validazione clinica di
strumenti per la riabilitazione e dispostivi di ausilio innovativi.
OBIETTIVI
Obiettivo generale del progetto è lo studio e lo sviluppo di
tecnologie innovative per la riabilitazione motoria di soggetti
con lesioni del sistema neuro-muscolo-scheletrico. L’attività
di ricerca riguarda lo studio esplorativo di nuove tecnologie
di ausilio alla riabilitazione motoria, la progettazione di dispositivi
innovativi, la realizzazione di prototipi, la loro validazione
tecnica e l’applicazione pilota su pazienti.
In particolare nel corso del biennio 2009-2010 sono stati affrontati
i seguenti obiettivi:
1. Studio dell’efficacia del sistema di stimolazione elettrica
MeCFES nella riabilitazione della mano di pazienti poststroke
cronici;
2. Sviluppo e applicazione di un protocollo di robot-terapia di
Ricerca corrente
69

Ricerca corrente
70
Linea di Ricerca 1
tipo “funzionale” per la riabilitazione dell’arto superiore di
pazienti con Sclerosi Multipla;
3. Valutazione degli effetti del biofeedback elettromiografico
nella riabilitazione al cammino di pazienti post-stroke cronici.
METODI
1. Nel corso del 2010 si è concluso il reclutamento dei pazienti
per lo studio randomizzato, controllato, in doppio
cieco (protocollo MAFE), per la valutazione del sistema
MeCFES come strumento per la riabilitazione della mano
di soggetti con esiti di ictus. In questa applicazione il segnale
EMG residuo dei muscoli estensori delle dita e del
polso viene impiegato per stimolare gli stessi muscoli e
quindi aumentarne l’effetto motorio. Sono quindi stati
reclutati in tutto 20 pazienti con esiti di stroke, di cui 3
drop-out per complicanze. Dei 17 pazienti residui, 10 erano
nel gruppo trattato e 7 nel gruppo di controllo, inoltre
11 pazienti hanno ricevuto in media almeno 3 sessioni
settimanali di fisioterapia (compliant group), mentre 6 ne
hanno ricevute meno (non compliant group). Questi due
sottogruppi sono stati analizzati separatamente (vedi sezione
risultati).
2. Nell’ambito dei sistemi aptici robotizzati è continuata l’attività
di studio degli effetti della riabilitazione assistita da
Robot dell’arto superiore in pazienti con Sclerosi Multipla.
Conclusa la fase di verifica dell’applicabilità del sistema
sui pazienti, si è iniziato uno studio di confronto fra un
protocollo riabilitativo robotizzato di tipo “virtuale”, che
consiste nell’esecuzione di esercizi di target con il braccio
robotico e feedback visivo su schermo, e un protocollo
di tipo “funzionale”, in cui il paziente deve raggiungere e
manipolare oggetti reali, muovendo il braccio robotico attraverso
uno splint sull’avambraccio. A tutto il 2010 sono
stati reclutati 10 pazienti con SM per il protocollo virtuale
e 6 per il protocollo funzionale.
3. È continuata, in collaborazione con la UORRF del nostro
IRCCS, l’attività relativa allo studio dell’effetto del biofeedback
elettromiografico nel miglioramento locomotorio di
pazienti con esiti di ictus. È stato finalizzato e pubblicato
un full paper (Jonsdottir et al., 2010) in cui tali miglioramenti
sono stati studiati e quantificati tramite tecniche di gait
analysis. Inoltre, in collaborazione anche con l’unità di bioimaging,
è iniziata l’attività volta ad approfondire le modifiche
indotte dal biofeedback sulle attività corticali, rilevate
tramite Risonanza Magnetica Funzionale. Il reclutamento
dei pazienti è in corso e continuerà nel prossimo anno. I
risultati preliminari sono stati presentati in due congressi
nazionali a carattere metodologico (2° Congresso Nazionale
di Bioingegneria) e clinico (11° Congresso Siamoc) (Del
Din et al., 2010).
RISULTATI
1. I risultati dello studio sui pazienti con emiplegia da ictus
hanno mostrato che il gruppo dei pazienti “non compliant”
non ha ottenuto un miglioramento significativo nelle funzionalità
dell’arto superiore (scala ARAT) fra prima e dopo
il trattamento (vedi Fig.1). Nel gruppo dei pazienti “compliant”,
invece, il sottogruppo trattato con MeCFES ha
mostrato un miglioramento significativamente maggiore
rispetto a quello di controllo (p

trattare anche muscoli prossimali (che agiscono su spalla
e gomito) per ottimizzare il trattamento e ampliare la casistica
dei potenziali fruitori del sistema. A questo fine è
iniziato lo sviluppo di un sistema MeCFES multicanale la
cui applicazione su pazienti è prevista nel 2011.
2. I risultati ottenuti finora dalla robot-terapia sui pazienti con
SM dimostrano che dopo il training, entrambi i gruppi migliorano
significativamente la velocità, la linearità e la fluidità
del movimento di reaching. Per quanto riguarda la trasferibilità
degli effetti a compiti funzionali, il gruppo trattato con
training virtuale mostra un moderato miglioramento (ARAT:
+2 pt; 9HPT: 18%) mentre nel gruppo funzionale sembrano
distinguersi 2 sottogruppi: 3 pazienti ottengono un miglioramento
clinicamente significativo (ARAT: +5 pt; 9HPT: 29%),
mentre gli altri 3 pazienti non presentano alcun effetto consistente
(ARAT: −0,3 pt; 9HPT: −15%). Sulla base delle evidenze
finora raccolte si può concludere che entrambi gli
approcci di robot-terapia sono applicabili in ambito clinico
e migliorano la coordinazione dell’arto superiore. Mentre il
protocollo virtuale produce moderati miglioramenti anche
in compiti funzionali, il training virtuale sembra essere significativamente
efficace solo nel 50% dei pazienti trattati.
Benché non si possano trarre conclusioni prima della conclusione
del reclutamento, questi risultati preliminari suggeriscono
che in alcuni soggetti gli effetti della terapia robotica
possono essere migliorati aggiungendo ai dispositivi
esistenti la possibilità di far eseguire compiti più vicini alle
ADL. In futuro occorrerà valutare se esistono indici che permettano
a priori di stabilire se un soggetto potrà beneficiare
di protocolli funzionali di terapia robotica.
3. I risultati ottenuti sui primi 3 pazienti con esiti di ictus, hanno
per ora dimostrato la fattibilità di raccogliere dati sui miglioramenti
nella funzione locomotoria (valutata tramite gait
analysis) dovuti alla riabilitazione con biofeedback e sulle
corrispondenti modifiche nell’attivazione cerebrale (rilevata
tramite fMRI) durante l’esecuzione di movimenti del piede
(Del Din et al., 2011). La casistica è però ancora troppo limitata
per trarre conclusioni sulla correlazione fra miglioranti
nel cammino e modifiche nell’attivazione corticale.
Linea di Ricerca 1
PRODOTTI SCIENTIFICI
– Carpinella I, Cattaneo D, Abuarqub S, Ferrarin M. Robot-based
rehabilitation of the upper limbs in multiple sclerosis:
Feasibility and preliminary results. J Rehabil Med. 2009
Nov;41(12):966-70.
– Thorsen R, Cortesi M, Jonsdottir J, Carpinella I, Morelli D,
Casadio M, Puglia M, Mazzoleni P, Casiraghi A, Diverio M,
Converti RM, Ferrarin M. Rehabilitation of the hemiplegic
hand with MeCFES – An interim analysis of the influence
of treatment frequency on the outcome. 14 th Annual Conference
of the International FES Society, September 13 th -
17 th , 2009 – Seoul (Corea), pp. 63-64, 2009.
– Jonsdottir J, Cattaneo D, Recalcati M, Regola A, Rabuffetti
M, Ferrarin M, Casiraghi A. Task-Oriented Biofeedback
to Improve Gait in Individuals With Chronic Stroke: Motor
Learning Approach. Neurorehabil Neural Repair. 2010
Jun;24(5):478-85.
– Thorsen R, Cortesi M, Jonsdottir J, Carpinella I, Morelli D,
Casiraghi A, Converti RM, Ferrarin M. Improving the Hemiplegic
Hand Function by FES using Direct Myoelectric
Control. 15 th Annual International FES Society Conference
and 10 th Vienna Int. Workshop on FES Vienna (Austria),
September 8 th -12 th , 2010.
– Del Din S, Bertoldo A, Sawacha Z, Rabuffetti R, Ferrarin
M, Laganà M, Jonsdottir J, Baglio F, Rovaris M, Cobelli
C. fMRI analysis of brain activation during ankle dorsi/plantarflexion
in post-stroke patients: a case study. II
Congresso Nazionale di Bioingegneria, GNB2010, Torino,
8-10 luglio 2010.
– Del Din S, Bertoldo A, Sawacha Z, Rabuffetti M, Laganà
M, Jonsdottir J, Baglio F, Rovaris M, Cobelli C, Ferrarin M.
Combined analysis of fMRI and gait analysis data for evaluating
biofeedback rehabilitation in post-stroke patients.
Gait&Posture, 33(S1): S10-S11, 2011.
– Jonsdottir J, Rabuffetti M, Cattaneo D, Recalcati M, Casiraghi
A, Crippa A, Montesano A, Ferrarin M. Changes in gait
parameters from self selected to fast gait velocity before
and after task-oriented biofeedback, compared to healthy
controls. Gait&Posture, 33(S1): S5-S6, 2011.
Ricerca corrente
71

Ricerca corrente
72
Linea di Ricerca 1
Sviluppo e applicazione di metodologie
per l’analisi del movimento umano in condizioni
fisiologiche e in presenza di patologie
del sistema neuro-muscolo-scheletrico
Responsabile: Ferrarin Maurizio
INTRODUZIONE
L’analisi multifattoriale del movimento consente da una parte
di approfondire le conoscenze sulla fisiologia del movimento
(nel bambino, nell’adulto, nell’anziano) e la patofisiologia dei
disordini motori, e quindi riveste un ruolo importante nella ricerca
fisiopatologica di base, dall’altra è uno strumento utile
in clinica per i seguenti aspetti:
a. quantificare le alterazioni locomotorie presenti in varie patologie
nei diversi stadi (acuti, cronici, degenerativi) della
malattia (assessment/monitoring);
b. aiutare nella pianificazione dell’intervento terapeutico/riabilitativo
(treatment decision making);
c. valutare quantitativamente l’efficacia di trattamenti terapeutici,
chirurgici, riabilitativi, farmacologici (outcome assessment);
d. indirizzare nella scelta e personalizzare ausili, ortesi, protesi
(device adaptation).
OBIETTIVI
Nel biennio 2009-2010 sono stati portati avanti 3 sottoprogetti
i cui obiettivi sono indicati di seguito:
1. Valutazione della variabilità inter-operatore di un protocollo
di analisi del cammino (LAMB);
2. Applicazione di protocolli di valutazione della stabilizzazione
posturale su casistiche selezionate di soggetti con
disordini della postura;
3. Sviluppo e applicazione di protocolli per l’analisi dei disturbi
motori in pazienti con malattia di Charcot-Marie-Tooth.
METODI
1. La variabilità inter-operatore è stata valutata su 6 operatori
esperti, che hanno partecipato agli esperimenti su 3 soggetti
normali. Si è utilizzato l’approccio della calibrazione tecnica
di marcatori anatomici, per identificare i sei profili cinematici
e dinamici derivanti dalla collocazione dei marcatori da parte
dei diversi operatori. Sono poi stati calcolati degli indici medi
di variabilità per ciascuna curva nel ciclo del passo.
2. Il protocollo per lo studio della stabilizzazione posturale,
sviluppato presso la nostra unità di ricerca, è stato applicato
a tutto il 2010 su 40 soggetti normali (di cui 10 hanno
ripetuto due volte l’esperimento per valutare la test-retest
reliability), 20 soggetti con Sclerosi Multipla, 24 soggetti
con malattia di Charcot-Marie-Tooth e 63 soggetti anziani
(gruppo selezionato presso residenze protette del Canton
Ticino e analizzato in collaborazione con l’Ospedale Beata
Vergine di Mendrisio, Ticino, Svizzera).
3. Il protocollo per la valutazione dei disordini locomotori in
pazienti con malattia di CMT è stato sviluppato e applicato
su un totale di 40 soggetti sani e 53 pazienti con CMT,
comprendente sia adulti che bambini. Su 20 pazienti è
stata valutata la test-retest reliability a distanza di 4-6 settimane,
mentre su 42 pazienti è stato anche effettuato il
follow up a 18 mesi dalla prima valutazione. Per la classificazione
dei disordini locomotori è stata utilizzata la cluster
analysis sui segni primari e sui compensi.
RISULTATI
1. La variabilità inter-operatore del protocollo LAMB è stata
generalmente valutata nella letteratura disponibile sull’argomento
in termini di variabilità nel posizionamento dei
marcatori sui reperti anatomici. I risultati della presente
sperimentazione confermano tali dati presenti in letteratura:
la variabilità (ovvero la deviazione standard della posizione)
osservata oscilla tra 3,1 mm e 16,4 mm (quest’ultimo
valore riferito al gran trocantere) con una media di
8,4 mm. L’effetto di tale variabilità sulle variabili angolari di
output (ovvero angoli articolari e di orientamento dei segmenti
anatomici) oscilla tra 0,2° e 4,2° (tale valore per l’angolo
di rotazione dell’anca) con un valore medio di 1,5°.
Tali valori determinano di fatto una soglia per il riconoscimento
di profili alterati rispetto a pattern di normalità.
2. La sperimentazione con il protocollo di analisi della stabilizzazione
posturale ha, innanzitutto, dimostrato che
tale fase esiste: al termine di spostamenti macroscopici
il raggiungimento di una stazione eretta stabile si realizza
progressivamente mediante oscillazioni intorno a
un punto centrale di equilibrio la cui ampiezza decresce
progressivamente con una legge esponenziale negati-

va. Inoltre in tutti i gruppi analizzati, si è constatato che
in presenza di maggiori instabilità si osserva una rapida
stabilizzazione, mentre stabilizzazioni lente e prolungate
nel tempo sono osservabili solo per valori inferiori di instabilità
iniziale. Ciò che appare discriminare tra soggetti
normali e normali “fragili” quali sono gli anziani o soggetti
con disturbi dell’equilibrio è che la coppia (instabilità
iniziale)-(tempo di stabilizzazione) presenta coppie di
valori che si situano in zone diverse del diagramma: alti
livelli di instabilità sembrano richiedere tempi più lunghi
di stabilizzazione, in accordo con l’ipotesi che in questi
individui i sistemi di controllo motorio e posturale sono
meno efficienti, sia in termini di percezione (propriocezione)
che di forza esprimibile.
3. I dati raccolti sui 40 soggetti sani hanno consentito di creare
un reference database di normalità sul cammino naturale,
cammino sulle punte e sui talloni, salita e discesa
dai gradini, che comprende dati cinematici, dinamici ed
elettromiografici. Questo database, suddiviso fra giovani
e adulti, è stato pubblicato su rivista indicizzata (Bovi et al.,
2011), incluso un addendum elettronico che riporta i valori
delle diverse variabili in ciascun task. I dati sovrapponibili
a quelli di lavori già presenti in letteratura (cammino naturale)
risultano altamente correlati (ro>0,7), mentre i dati
dei task locomotori più impegnativi sono originali e danno
indicazioni specifiche sul contributo dei comparti muscolari
prossimali e distali dell’arto inferiore.
La test-retest reliability del metodo sui pazienti con CMT
è risultata buona (ICC>0,75) nel cammino naturale, tranne
che per alcune variabili relative ai movimenti del tronco,
del bacino e ai profili EMG, in cui è risultata moderata
(0,5

Ricerca corrente
74
Linea di Ricerca 1
Benvenuti F, Rabuffetti M. Experimental study on the
effect of age-related frailness on postural stabilization.
Gait&Posture, 33(S1): S61, 2011.
– Ferrarin M, Bovi G, Rabuffetti M, Mazzoleni P, Montesano
A, Moroni I, Pagliano E, Marchi A, Marchesi C, Beghi
E, Pareyson D. “Reliability of instrumented movement
analysis as outcome measure in Carcot-Marie-Tooth
disease: results from a multitask locomotor protocol”,
Gait&Posture, 2011 May; 34(1):36-43.
– Ferrarin M, Bovi G, Rabuffetti M, Mazzoleni P, Montesano
A, Pagliano E, Marchi A, Magro A, Marchesi C, Pareyson
D, Moroni I. Gait pattern classification in children with
Charcot-Marie-Tooth disease type 1A. Gait&Posture 2011
(accepted for publication).
– Rabuffetti M, Marzegan A, Ferrarin M, Crenna P. Experimental
assessment of inter-rater variability of an anatomically
based gait analysis protocol. Proceedings of GCMAS
Annual Conference, 26-29 April 2011, pp. 276-277, 2011.
– Rabuffetti M, Bovi G, Quadri PL, Cattaneo D, Benvenuti
F, Ferrarin M. An experimental paradigm to assess Postural
Stabilization: no more movement and not yet posture.
IEEE TrNSRE, 2011 (accepted for publication).
– Bovi G, Rabuffetti M, Mazzoleni P, Ferrarin M. A multipletask
gait analysis approach: kinematic, kinetic and EMG
reference data for healthy young and adult subjects.
Gait&Posture, 2011 Jan; 33(1): 6-13.
– Caliandro P, Ferrarin M, Cioni M, Bentivoglio AR, Minciotti
I, D’Urso PI, Tonali PA, Padua L. Levodopa effect on electromyographic
activation patterns of tibialis anterior muscle
during walking in Parkinson’s disease. Gait&Posture.
2011 Jan 20.
Prevenzione del rischio da sovraccarico biomeccanico
arti superiori e rachide nella mansione di imbianchino
Responsabile: Occhipinti Enrico
INTRODUZIONE
Le malattie professionali riconosciute, in Europa, hanno subito
nell’ultimo decennio delle profonde modificazioni, di cui la
più rilevante è il costante incremento generale delle patologie
muscolo-scheletriche: a questo trend ha contribuito in modo
sostanziale anche il settore delle costruzioni. Una analisi più
dettagliata, che pone a confronto a livello europeo i diversi settori
produttivi, evidenzia come i disturbi al rachide lombare e i
disturbi muscolo-scheletrici siano, nel comparto delle costruzioni,
secondi solo al settore agricolo e della pesca: rispettivamente
sono accusati dal 46,3 e dal 45,3% dei lavoratori intervistati.
È indubbio quindi che le MSD nel settore esaminato costituiscono
un problema, già evidente in Europa e in aumento in
Italia, che necessita di risposte adeguate: queste sono rappresentate
dall’applicazione di misure ergonomiche, come attestato
da vari autori. Dati recenti pubblicati dall’INAIL nel 2007
confermano un analogo andamento nella popolazione italiana:
il settore delle costruzioni registra il più alto numero di malattie
professionali denunciate rispetto ai settori dell’industria
e dei servizi. In particolare le patologie muscolo-scheletriche
rappresentano il 21,5%. Con l’avvento della nuova tabella delle
malattie professionali le richieste di risarcimento per questo
tipo di patologie dovrebbero subire un incremento.
Diventa, perciò importante definire con maggiore precisione i
livelli di rischio da sovraccarico biomeccanico (arti superiori, rachide,
arti inferiori) sia per orientare il giudizio medico-legale, sia
per definire l’eventuale necessità di integrare la sorveglianza
sanitaria con protocolli specifici. Infine, la valutazione del rischio
da sovraccarico biomeccanico costituisce il primo tassello per
orientare le strategie preventive di intervento/bonifica. Questi
obiettivi sono condivisi con il CPTA (Comitato Paritetico Territoriale
Artigiano) di Bergamo con il quale l’unità di ricerca EPM
(Ergonomia della Postura e del Movimento) ha sottoscritto un
contratto di ricerca per l’individuazione dei livelli da sovraccarico
biomeccanico nella mansione di imbianchino.
Questa scelta è stata dettata dalla particolare composizione
dei lavoratori afferenti al CPTA di Bergamo.

OBIETTIVI
Ricostruzione del profilo di rischio della mansione di imbianchino
tramite valutazione dei relativi compiti semplici e loro
quantificazione temporale. Verifica del miglior modello di ricostruzione
del profillo di rischio in relazione ai dati di prevalenza
delle patologie muscolo-scheletriche.
METODI
• Revisione della letteratura che affronta la problematica delle
patologie muscolo scheletriche negli addetti all’imbiancatura;
• studio dei modelli di valutazione del rischio per compiti multipli
su base settimanale/mensile o annuale;
• identificazioni delle metodiche di esecuzione dei diversi compiti
lavorativi;
• analisi del rischio da sovraccarico biomeccanico degli arti
superiori con metodologia OCRA (Occupational Repetitive
Risk Assessment, metodo indicato nella norma tecnica EN
1005-5), del rischio da movimentazione manuale dei carichi
con indice NIOSH (EN 1005-2/ISO11228-1);
• identificazione dei determinanti il rischio maggiormente
coinvolti per conseguire un abbattimento del rischio prevedendo
anche soluzioni a breve, medio e lungo termine;
• identificazione di soluzioni relative alle diverse modalità
operative per singolo compito lavorativo.
RISULTATI
È stata ultimata e consegnata agli interlocutori, nell’ottobre
2009, la relazione di ricerca con risultati relativi a tutti gli
obiettivi individuati. In questa sede si forniscono alcuni risultati
salienti relativi all’inquadramento della mansione.
L’andamento delle attività risulta di carattere stagionale con
flessione durante il periodo invernale, dove prevalentemente si
svolgono lavori in interno (sia nuovo sia ristrutturato), con una
forte ripresa dalla primavera all’autunno. In questo periodo la
distribuzione dei tempi di lavoro per tipologia di imbiancatura si
modifica: mentre in inverno in genere non si effettua l’imbiancatura
in esterno (che comunque non sarebbe possibile al di
sotto dei 5 °C), nel periodo primavera/autunno la percentuale
del tempo lavoro dedicata a questa attività incrementa in modo
consistente. Non solo, l’orario di lavoro subisce dei forti incrementi:
dalle 8 ore per cinque giorni lavorativi fino a 10 ore/giorno
dal lunedì al venerdi e 4-5 ore al sabato.
Linea di Ricerca 1
La ricostruzione anamnestica dell’attività lavorativa ha permesso
l’individuazione di un numero elevato di compiti e sub-compiti.
All’interno della varietà di lavorazioni sopra descritta, è comunque
possibile identificare quelle prevalenti: la tinteggiatura di soffitti
e pareti rappresenta circa l’80% dell’attività di imbiancatura
interna degli edifici civili. Per una ricostruzione più dettagliata di
questa attività prevalente è stata considerata una camera standard
(4x3 m) e sono stati stimati i tempi dei diversi compiti secondo
il dettaglio riportato in Tab. 1.
Tab. 1 – Ricostruzione tempi imbiancatura camera
standard edificio nuovo (4x3 m – h 2,7 m)
Sequenza fasi lavoro
Tempo
(min.)
Tempo
(%)
Preparazione pittura 5 2,1%
Copertura pavimento 5 2,1%
Nastratura 10 4,2%
Carteggiatura 10 4,2%
Profilatura 30 12,5%
Rullatura pareti e soffitto 60 25,0%
Stuccatura/carteggiatura 15 6,3%
Profilatura 30 12,5%
Ritocco stuccatura con rullo o pennello 10 4,2%
Rullatura pareti e soffitto 60 25,0%
Rimozione coperture e pulizia 5 2,1%
TOTALE 240 100%
Dall’analisi delle diverse fasi è possibile risalire a un numero
di compiti definiti come di seguito illustrato:
Compito
Tempo
(min.)
Tempo
(%)
Rullatura 120 50,0%
Profilatura 60 25,0%
Ritocco 20 8,3%
Preparazione e riordino 40 16,7%
TOTALE 240 100%
Per ciascuna delle sopra evidenziate fasi o sub-compiti si è
proceduto a una analisi tramite il metodo OCRA per una stima
del potenziale sovraccarico degli arti superiori. I relativi
risultati analitici sono omessi in questo breve report.
Ricerca corrente
75

Ricerca corrente
76
Linea di Ricerca 1
Prevenzione del rischio da sovraccarico biomeccancio
arti superiori e rachide nei servizi di endoscopia
digestiva
Responsabile: Occhipinti Enrico
INTRODUZIONE
Il personale sanitario addetto all’esecuzione dei diversi esami
endoscopici in ambito gastroenterologico (EGDS, Colon,
ERCP ecc.), risulta, nella letteratura scientifica nazionale e
internazionale, una delle categorie lavorative affetta da disturbi
acuti e cronici sia a carico degli arti superiori che del
rachide cervicale.
Parecchie segnalazioni della presenza di disturbi a carico
degli arti superiori e del rachide cervicale, pur informali ma
molto numerose, sono pervenute alla Società Italiana di Endoscopia
Digestiva (SIED): ciò ha fatto porre l’attenzione della
società a questo problema, che risulta fra quelli emergenti
nella categoria. Si deve inoltre considerare che il numero di
esposti, data la sempre più ampia diffusione che negli ultimi
anni hanno avuto queste tecniche diagnostico-terapeutiche,
è destinato a crescere in tempi anche abbastanza rapidi.
OBIETTIVI
Valutare l’effettiva presenza del rischio da sovraccarico biomeccanico
degli arti superiori e del rachide per gli endoscopisti
addetti all’esecuzione di gastro e colonscopie. Obiettivi
specifici della ricerca erano in particolare:
• Identificazione delle prevalenze di patologie/disturbi agli
arti superiori e al rachide cervicale nei servizi di endoscopia
digestiva a livello nazionale in collaborazione con la SIED;
• Valutazione del rischio specifico nei servizi di endoscopia;
METODI
• Messa a punto di un protocollo specifico per la rilevazione
dei disturbi e delle patologie agli arti superiori e al rachide
cervicale;
• pianificazione di uno studio di rilevazione dei danni/disturbi
a livello nazionale tramite: accesso diretto presso i servizi,
implementazione di un sistema di raccolta informatizzato
(via web o altro) da parte di personale individuato dalla
SIED;
• studio dei modelli organizzativi presso almeno 4 centri di
endoscopia digestiva;
• identificazioni delle metodiche di esecuzione dei diversi
esami endoscopici;
• analisi del rischio da sovraccarico biomeccanico degli arti
superiori con metodologia OCRA (Occupational Ripetitive
Risk Assessment – EN 1005-5) e del rischio posturale per il
rachide cervicale con le metodiche individuate nella norma
tecnica EN 1005-4.
RISULTATI
È stato condotto un preliminare studio pilota che ha visto
coinvolti 179 operatori del settore (personale sia medico
che infermieristico) volto a rilevare l’effettiva presenza del
problema anche in Italia. Lo studio è stato programmato in
collaborazione fra SIED, Unità di Ricerca Ergonomia della Postura
e del Movimento (EPM) con il patrocinio della Società
Italiana di Ergonomia (SIE).
A tale scopo è stato predisposto un questionario in autosomministrazione
volto a rilevare la prevalenza dei disturbi e
delle patologie sia agli arti superiori che al rachide cervicale.
Dai risultati dello studio pilota è emerso, in estrema sintesi,
che circa il 21% degli intervistati è già portatore di una patologia
riconosciuta e diagnosticata a livello delle spalle, il 9% a livello
dei gomiti e ben il 26% a livello del distretto mano-polso.
Considerando che nella popolazione generale (non esposta
al rischio da sovraccarico biomeccanico degli arti superiori) la
prevalenza complessiva delle patologie a livello degli arti superiori
non eccede il 4,5 –5%, si può ben intuire la rilevanza di
questo fenomeno in questa specifica categoria di lavoratori.
Trattandosi di uno studio pilota, la dimensione campionaria
non appariva sufficiente a fornire delle risposte esaurienti,
tuttavia indica che le problematiche ergonomiche, connesse
con l’esecuzione degli esami endoscopici, erano meritevoli di
quegli approfondimenti identificati negli obiettivi della ricerca.
D’altro lato, analisi preliminari con il metodo OCRA, su alcune
fasi di applicazione di endoscopia digestiva (colonscopia),
indicavano la presenza di un deciso rischio di sovraccarico
biomeccanico degli arti superiori e facevano ipotizzare la necessità
di rivedere alcune caratteristiche “strutturali” delle
apparecchiature di endoscopia (peso, impugnatura ecc.): in
questo senso venivano anche a essere interessati i “produttori”
delle apparecchiature.

Nonostante queste interessanti premesse, questa ricerca,
avviata negli anni precedenti, non si è potuta sviluppare e
concludere nel 2009 per via di una improvvisa ma decisa rinuncia
dell’interlocutore interessato (SIED – Società Italiana
Endoscopia Digestiva), che nel frattempo aveva modificato i
propri organismi collegiali. Non si sono conseguentemente
resi disponibili gli ulteriori risultati finali attesi.
Linea di Ricerca 1
Prevenzione del rischio da sovraccarico
biomeccanico arti superiori e rachide nelle
mansioni artigianali edili
Responsabile: Occhipinti Enrico
INTRODUZIONE
Le malattie professionali riconosciute, in Europa, hanno subito
nell’ultimo decennio delle profonde modificazioni, di cui
la più rilevante è il costante incremento generale delle patologie
muscolo-scheletriche: a questo trend ha contribuito
in modo sostanziale anche il settore delle costruzioni. Una
analisi più dettagliata, che pone a confronto a livello europeo
i diversi settori produttivi, evidenzia come i disturbi al rachide
lombare e i disturbi muscolo-scheletrici siano, nel comparto
delle costruzioni, secondi solo al settore agricolo e della pesca:
rispettivamente sono accusati dal 46,3 % e dal 45,3%
dei lavoratori intervistati.
È indubbio quindi che le MSD nel settore esaminato costituiscono
un problema, già evidente in Europa e in aumento in
Italia, che necessita di risposte adeguate: queste sono rappresentate
dall’applicazione di misure ergonomiche, come attestato
da vari autori. Dati recenti pubblicati dall’INAIL nel 2007
confermano un analogo andamento nella popolazione italiana:
il settore delle costruzioni registra il più alto numero di malattie
professionali denunciate rispetto ai settori dell’industria
e dei servizi. In particolare le patologie muscolo-scheletriche
rappresentano il 21,5%. Con l’avvento della nuova tabella delle
malattie professionali le richieste di risarcimento per questo
tipo di patologie dovrebbero subire un incremento.
Il numero delle malattie professionali, al momento attuale,
è verosimilmente sottostimato, sia per il moltiplicarsi negli
ultimi anni dei lavoratori autonomi la cui adesione a programmi
di sorveglianza sanitaria è volontaria, sia perché ancora
oggi in questo settore i controlli sanitari preventivi e periodici
sono meno diffusi rispetto ad altri comparti e, nel caso in
cui vengano realizzati, la valutazione del rischio (specie per i
fattori di rischio da sovraccarico biomeccanico) manca del
tutto oppure è largamente carente, rendendo difficile l’identificazione
del nesso di causalità.
Per questo motivo è stato attivato un progetto di ricerca mirato
alla identificazione precoce dei disturbi muscolo-scheletrici
Ricerca corrente
77

Ricerca corrente
78
Linea di Ricerca 1
nei lavoratori edili. Questo progetto – presso i lavoratori associati
alla CPTA (Comitato Paritetico Territoriale Artigiano) di
Bergamo – prevede l’applicazione, in sede di visita medica, di
un ben definito protocollo clinico per la raccolta e l’individuazione
dei disturbi e delle patologie muscolo-scheletriche.
OBIETTIVI
Studio della prevalenza delle patologie e disturbi muscolo
scheletrici in un significativo gruppo di addetti edili artigiani
appartenenti alla CPTA di Bergamo.
METODI
È stato applicato un protocollo di esame clinico-anamnestico
dell’apparato locomotore (rachide e arti superiori) già da tempo
messo a punto da EPM.
Lo stesso è stato adottato dai medici competenti addetti alla
sorveglianza sanitaria dei lavoratori interessati, previo specifico
addestramento.
Il protocollo ha riguardato 2247 lavoratori, tutti maschi, presentatisi
al controllo sanitario periodico nel periodo novembre
2009-luglio 2010.
I dati raccolti, ulteriormente verificati dall’Unità di Ricerca
EPM, sono stati elaborati con il pacchetto statistico SPSS
versione 17.
RISULTATI
Sono stati acquisiti dati relativi a un campione di 2247 soggetti
con mansioni diversificate di cui il gruppo dei muratori
rappresenta oltre il 50%.
L’età media è pari a 37 anni; l’anzianità di servizio media è
pari a 14,5 anni.
L’analisi è stata effettuata sia sull’intero campione sia sul
gruppo di muratori.
In entrambi i casi si evidenziano prevalenze di disturbi e di
patologie agli arti superiori nettamente più elevate rispetto
a un gruppo di riferimento di soggetti non esposti. Per
quanto riguarda il rachide lombare l’evidenza più significativa
afferisce all’elevata prevalenza di patologia degenerativa
(ernia discale). La prevalenza di soggetti con ernia discale è
risultata del 5,6%, circa 3 volte più alta dell’atteso (2%): tale
differenza è risultata statisticamente significativa (p

Valutazione strumentale della richiesta funzionale
(fisico meccanica) del lavoro, complementare
all’analisi condotta tramite metodi osservazionali
consolidati
Responsabile: Occhipinti Enrico
INTRODUZIONE
Per la valutazione dei fattori di rischio lavorativo che influenzano
le patologie muscolo-scheletriche degli arti superiori è
stato in tempi recenti sviluppato il metodo dell’indice OCRA,
stima sintetica dell’esposizione a movimenti ripetitivi degli
arti superiori. Il metodo OCRA, oggi standard europeo e
internazionale, individuando e assegnando un punteggio a
differenti fattori di rischio produce in uscita un indice che
predice la possibilità di contrarre una patologia del distretto
arto superiore per esposizioni lavorative medie di 5-10 anni.
Il suo punteggio finale viene articolato in fasce corrispondenti
a differenti livelli di rischio (accettabile, dubbio o molto lieve,
presente ed elevato). Il metodo OCRA, essendo in grado
di analizzare la richiesta funzionale del compito lavorativo,
può fornire un valido supporto per la progettazione ergonomica
del posto di lavoro, in particolare, per la prevenzione
del rischio di insorgenza di UL-WMSDs. D’altra parte, però,
se il metodo OCRA prende in considerazione una serie di
fattori misurabili in maniera oggettiva direttamente sul luogo
di lavoro (orario lavorativo, frequenza di azione, posture,
movimenti), rimane la criticità del fattore “forza”, che viene
misurato (come del resto propongono molti altri metodi
presenti in letteratura) per lo più in maniera soggettiva. Tale
fattore è ottenuto, nel metodo OCRA, da interviste effettuate
al lavoratore sottoponendo una scala su punti a sforzo
percepito crescente (Scala di Borg CR-10).
Tale metodo soggettivo presenta criticità di vario tipo. Per
una migliore oggettivazione del fattore forza (relazionato ad
altri aspetti come la postura e i tempi di pausa) l’elettromiografia
di superficie (sEMG) può rappresentare lo strumento
appropriato a una analisi parametrica oggettiva. Con tale
metodologia, infatti, è possibile analizzare il grado di coinvolgimento
di singoli muscoli durante l’effettuazione di particolari
compiti, permettendo di valutare i livelli di attività associati
a un particolare complesso muscolo-tendineo, noto
Linea di Ricerca 1
per essere il sito, per esempio, di effetti negativi di salute.
Analogamente a quanto argomentato per il rapporto tra metodo
OCRA e sEMG, vi sono altri metodi consolidati (di tipo
osservazionale) del sovraccarico biomeccanico lavorativo
che bene si gioverebbero dell’ausilio di tecniche strumentali
per la misurazione oggettiva di parametri e determinanti fondamentali
(es.: forza; escursioni angolari di parti corporee;
periodi di riposo muscolare ecc.).
La disponibilità di metodiche e procedure analitiche strumentali
è di ausilio a Medici Competenti, Addetti ai Servizi di
Protezione e Prevenzione aziendale agli operatori dei servizi
di consulenza e vigilanza dell’INAIL e delle ASL, nei rispettivi
ruoli, per la valutazione, gestione e prevenzione dei rischi
lavorativi per l’apparato muscolo-scheletrico.
OBIETTIVI
Si è proceduto alla individuazione delle procedure da sviluppare
con tecnologie strumentali e alla definizione di
tecniche/strumenti da sviluppare. Si è focalizzata l’attenzione
sulla EMG vocazionale di superficie con trasmissione
telemetrica del segnale e metodica analitica (con relativo
software) di studio e interpretazione. In tal senso l’obiettivo
principale è consistito nel definire e sviluppare modalità
standardizzate di acquisizione ed elaborazione del segnale
elettromiografico di superficie per l’identificazione di parametri
utili a una più oggettiva caratterizzazione del livello di
sforzo muscolare durante attività manuali ripetute dell’arto
superiore e della mano.
Attenzione è stata posta anche alla possibile utilizzazione di
dinamometri elettronici per studi sul campo di attività di traino
e spinta manuale.
METODI
In relazione all’obiettivo principale, dopo la messa a punto di
strumenti e modalità esecutive delle Massime Contrazioni
Volontarie (MVC) per la normalizzazione e calibrazione del
segnale elettromiografico, sono stati implementati un nuovo
sistema di acquisizione di elettromiografia di superficie e video
sincronizzati, in grado di garantire un buon grado di ripetibilità
inter- e intrasoggettiva e un software di elaborazione
dedicato a un utilizzo tecnico “sul campo”.
La metodologia sviluppata è stata dapprima testata in labo-
Ricerca corrente
79

Ricerca corrente
80
Linea di Ricerca 1
ratorio su un gruppo di 12 soggetti sani, studiando un compito
ripetitivo eseguito in due differenti modalità (indice OCRA
elevato/basso). In seguito tale metodologia è stata testata
direttamente in ambito lavorativo per valutare differenti tipologie
di strumenti per la potatura.
RISULTATI
I risultati del protocollo di laboratorio hanno evidenziato insorgenza
di affaticamento per i gruppi muscolari maggiormente
implicati nel movimento solo nel caso della prova ad
alto indice di rischio. Hanno evidenziato inoltre differenza
significativa in termini di maggiore livello di attivazione, e
quindi forza necessaria, nel caso della prova ad alto indice
OCRA. Tali risultati oggettivano le differenze delle percezioni
soggettive dello sforzo rilevate tramite Scala di Borg.
I risultati dell’applicazione aziendale dimostrano l’esportabilità
del protocollo sviluppato anche in una realtà lavorativa e
mostrano l’utilità dell’analisi nella valutazione delle differenze
relative tra strumenti.
Dopo tali prove iniziali, il sistema è stato inoltre utilizzato per
lo studio sul campo di altri compiti lavorativi, in particolare in
agricoltura, nel settore tessile, nella guida di bus, nel settore
ospedaliero e in quello della pesca (anche all’estero).
È stato consolidato il software di elaborazione del segnale
ai fini di interpretazione dei dati ed è stata implementata la
progettazione di uno strumento per l’acquisizione standardizzata
delle MCV al di fuori di ambienti dedicati, ipotizzando
anche l’utilizzo di apposite celle di carico per la verifica della
relazione forza/segnale EMG.
Collateralmente si stanno studiando diverse soluzioni di dinamometro
“elettronico” da destinare allo studio di attività di
traino e spinta con particolare attenzione a situazioni in cui vi
sono percorsi lunghi, accidentati o con molte curve.
PRODOTTI SCIENTIFICI
– Pigini L, Colombini D, Rabuffetti M, Ferrarin M. Tecniche
di acquisizione e analisi del segnale elettromiografico per
lo studio del sovraccarico biomeccanico occupazionale. La
Medicina del Lavoro 2010; 101, 2: 118-133.
Sviluppo e applicazione clinica di metodologie
per lo studio del sistema cardiorespiratorio e dei
suoi meccanismi di controllo
Responsabile: Di Rienzo Marco
INTRODUZIONE
Le attività sono state svolte dal Laboratorio di Ricerche
Cardiovascolari (LaRC) del Polo Tecnologico con la collaborazione
del Laboratorio di Tecniche Avanzate di Analisi e
Trattamento dei Biosegnali e del Laboratorio dei Sensori Indossabili
e Telemedicina (WeST Lab).
ATTIVITÀ SPERIMENTALE
a) Applicazione clinica di metodologie da noi sviluppate
• In collaborazione con l’Ospedale San Gerardo di Monza si è
giunti alla conclusione e pubblicazione di uno studio mirato
a valutare l’ipotesi da più parti suggerita che nei pazienti con
scompenso cardiaco la ridotta frazione di eiezione possa
essere la causa della ridotta funzionalità del controllo barocettivo
del circolo (importante fattore di rischio per il paziente).
Per questo studio si sono reclutati 31 pazienti con
scompenso cardiaco, 29 pazienti con patologie coronariche
e 29 soggetti di controllo. La funzionalità barocettiva è stata
analizzata utilizzando sia tecniche tradizionali di laboratorio
che la tecnica delle sequenze (metodica non invasiva basata
sull’analisi della variabilità spontanea della pressione e frequenza
cardiaca sviluppata in precedenza presso il LaRC).
Dallo studio si è evidenziato che la performance barocettiva
non dipende, come ipotizzato, da una diminuita frazione di
eiezione, e quindi da una ridotta funzionalità meccanica del
cuore, ma sembra invece essere correlata con alterazioni
strutturali del letto vascolare. Un secondo studio, sempre
in collaborazione con lo stesso gruppo di ricercatori, si è invece
focalizzato nel valutare i fattori responsabili della importante
diminuzione della funzionalità barocettiva (con conseguente
aumentato rischio di mortalità) durante lo shock
settico. In particolare si è indagato se la diminuita funzionalità
barocettiva fosse dovuta alla diminuzione di pressione o
alla tossina in sé. In questo esperimento si sono considerati
dati raccolti presso il Policlinico di Milano su 7 ratti in cui è
stata infusa la tossina E. coli lipopolysaccharides in dosi tali
da non produrre variazioni di pressione. Si è potuto quindi

verificare che la tossina induce una marcata inibizione della
funzionalità barocettiva indipendentemente dalle variazioni
di pressione arteriosa.
• In collaborazione con l’U.O. di Cardiologia Riabilitativa
FDG di Parma, si è giunti al termine delle analisi e alla
stesura del lavoro finale (poi pubblicato nel gennaio 2011)
di uno studio finalizzato a individuare indicatori di sodiosensibilità
basati sulla sola analisi del livello medio di frequenza
cardiaca e della caduta pressoria notturna. L’efficacia
del metodo è stata studiata su 46 pazienti ipertesi
confrontandone le stime con i risultati ottenuti attraverso
la valutazione tradizionale di sodiosensibilità. I risultati
hanno evidenziato che il 67% dei pazienti che hanno una
caduta notturna di pressione arteriosa minore del 10%
del valore pressorio medio registrato sulle 24 ore e una
frequenza cardiaca media giornaliera maggiore di 70 battiti
al minuto sono sodiosensibili. Questi dati suggeriscono
l’uso del monitoraggio pressorio sulle 24 ore come
strumento per identificare i pazienti a maggior rischio di
sodio sensibilità, evitando così di dover sottoporre ai molto
più impegnativi test tradizionali di sodiosensibilità circa
la metà dei pazienti ipertesi.
b) Approfondimenti di aspetti di fisiologia cardiovascolare
• Si sono analizzati dati precedentemente raccolti in collaborazione
con l’Aeronautica Militare Italiana sull’effetto
sul sistema cardiorespiratorio di particolari manovre in
volo caratterizzate da brusche variazioni gravitazionali (da
−1 g a +5 g in 2-5 secondi) e atte a sollecitare il cosiddetto
push-pull effect (PPE). In condizioni estreme, questo fenomeno
può portare alla temporanea perdita della visione
e coscienza del pilota. Un’indagine sugli aspetti fisiologici
legati a queste manovre è quindi funzionale alla ottimizzazione
di contromisure. Questo esperimento rappresenta
la prima rilevazione del fenomeno durante voli reali (i dati
finora disponibili sono stati raccolti in situazioni simulate
in laboratorio attraverso l’uso di centrifughe). Tutte le registrazioni
(15 voli) sono state effettuate utilizzando la maglietta
MagIC. Abbiamo effettuato le prime analisi dei dati
raccolti su 3 piloti, soffermandoci in particolare sugli effetti
delle manovre sulla frequenza cardiaca. I risultati, presen-
Linea di Ricerca 1
tati a congressi del settore, hanno documentato per la prima
volta gli effetti del push-pull sul ritmo cardiaco durante
situazioni di volo reale ed evidenziano un quadro di iperattivazione
simpatica a +5 g quando la manovra è preceduta
da una sollecitazione gravitazionale negativa. Le analisi
sono in fase di completamento. Gli aspetti conoscitivi risultanti
da questo studio sono attinenti alla comprensione
dei meccanismi fisiopatologici sottostanti alle disfunzioni
nel controllo cardiovascolare osservabili durante i cambi
posturali in molte patologie.
• Sono altresì proseguite le attività sperimentali relative allo
studio degli effetti cardiorespiratori dell’ipossia in quota durante
il sonno. La prima attività in questo settore si è focalizzata
sull’analisi dei dati raccolti da 30 sistemi MagIC nella
spedizione sul Monte Everest nel 2008. Inoltre, facendo
uso della nuova metodica messa a punto dal Laboratorio di
Tecniche Avanzate di Analisi e Trattamento dei Biosegnali
per la valutazione del livello di complessità della dinamica
dei segnali cardiovascolari, si è potuto evidenziare come
l’effetto dell’ipossia nel sonno in alta quota (a 5400 m) non
sia rilevabile utilizzando tecniche di analisi tradizionali ma
possa invece essere esplorata attraverso lo studio delle
componenti complesse e non lineari della variabilità cardiaca.
La seconda attività in questo ambito riguarda la partecipazione,
nel luglio 2010, a una nuova spedizione sul Monte
Rosa (Capanna Margherita) nel corso della quale sono stati
monitorati, sempre con il sistema MagIC, 25 soggetti durante
il sonno a quota 4580 m.
• Il nuovo algoritmo sopra citato è stato inoltre utilizzato in 9
volontari sani per valutare l’influenza del sistema nervoso
autonomo sulle componenti complesse (autosomiglianza)
della frequenza cardiaca e della pressione arteriosa.
I dati sono stati raccolti presso l’Università di Lione. Nei
soggetti, le registrazioni sono state effettuate durante una
sequenza di blocchi autonomici farmacologici (blocco simpatico,
vagale e doppio). Da questo studio è stato preparato
un articolo accettato nel 2010 e pubblicato nel 2011.
Con la stessa metodologia in 60 volontari sani si è inoltre
studiato come la postura, l’attività fisica e il genere possano
influenzare la struttura di autosomiglianza dei parametri
Ricerca corrente
81

Ricerca corrente
82
Linea di Ricerca 1
cardiovascolari. I risultati di questi studi permettono di approfondire
il correlato tra fattori biologici e variazioni nelle
componenti complesse della variabilità cardiovascolare e
fondano i presupposti per la creazione di nuovi indici non
invasivi della funzionalità cardiaca utilizzabili sia in ambito
sperimentale che clinico.
Sviluppo di nuove metodiche per lo studio del baroriflesso
• È stato inoltre sviluppato e proposto un aggiornamento
della tecnica delle sequenze per la valutazione non invasiva
della sensibilità del baroriflesso, da noi sviluppata nel
passato. In particolare è stato messo a punto un modello
che introducendo il concetto di punto di lavoro (set-point),
valuta e aggrega in modo indipendente le risposte barocettive
osservate quando il sistema cardiovascolare tende
a convergere o a divergere dal punto di lavoro durante il
comportamento spontaneo.
PRODOTTI SCIENTIFICI
– Porta A, Di Rienzo M, Wessel N, Kurths J. Addressing the
complexity of cardiovascular regulation. Philos Transact A
Math Phys Eng Sci. 2009 Apr 13;367(1892):1215-8.
– Di Rienzo M, Parati G, Radaelli A, Castiglioni P. Baroreflex
contribution to blood pressure and heart rate oscillations:
time scales, time-variant characteristics and nonlinearities.
Philos Transact A Math Phys Eng Sci. 2009 Apr
13;367(1892):1301-18.
– Castiglioni P, Parati G, Civijian A, Quintin L, Di Rienzo M.
Local scale exponents of blood pressure and heart rate
variability by detrended fluctuation analysis: effects of posture,
exercise, and aging. IEEE Trans Biomed Eng. 2009
Mar;56(3):675-84.
– Parati G, Di Rienzo M, Coruzzi P, Castiglioni P. Chronic
hypotension and modulation of autonomic cardiovascular
regulation. Hypertens Res. 2009 Nov;32(11):931-3.
– Di Rienzo M, Porta A. Cardiovascular Variability: Clinical applications
of linear and nonlinear components. IEEE EMB
Mag, 28(6): 16-17, 2009.
– Radaelli A, Castiglioni P, Balestri G, Cesana F, De Carlini C,
Soriano F, Azzellino A, Di Rienzo M, Paolini G, Ferrari AU,
Mancia G. Increased pulse wave velocity and not reduced
ejection fraction is associated with impaired baroreflex
control of heart rate in congestive heart failure. J Hypertens.
2010, 28(9):1908-1912.
– Castiglioni P, Parati G, Brambilla L, Brambilla V, Gualerzi
M, Di Rienzo M, Coruzzi P. Detecting sodium-sensitivity
in hypertensive patients: information from 24-hour ambulatory
blood pressure monitoring. Hypertension. 2011;
57(2):180-5.
– Castiglioni P, Parati G, Di Rienzo M, Carabalona R, Cividjian
A, Quintin L. Scale exponents of blood pressure and heart
rate during autonomic blockade as assessed by detrended
fluctuation analysis. J Physiol. 2011, 15;589:355-69.
– Castiglioni P, Caldara G, Di Rienzo M, Parati G. Where is
the fractal component of heart rate spectra hiding? Anesth
Analg. 2010 Jun;110(6):1752.
– Di Rienzo M, Castiglioni P, Rizzo F, Faini A, Mazzoleni P,
Lombardi C, Meriggi P, Parati G. Textile technology to
investigate linear and fractal heart rate dynamics during
sleep at high altitude. Methods of Information in Medicine.
2010 Jun 22;49:521-525.
– Di Rienzo M, Meriggi P, Rizzo F, Castiglioni P, Lombardi C,
Ferratini M, Parati G. Textile technology for the vital signs
monitoring in telemedicine and extreme environments.
IEEE Trans on Information Technology in BioMedicine.
14(3):711-717, 2010.
Abstract e Atti di congresso:
– Radaelli A, Castiglioni P, De Carlini C, Bonfadini S, Accorsi
C, Soriano F, Balestri G, Di Rienzo M, Paolini G, Mancia
G. Patients with coronary artery disease have a marked
impairment of the baroreflex function even in absence of a
myocardial infarction. 19 th European Meeting on Hypertension
2009, Abstract, p. S325.
– Lombardi C, Meriggi P, Bartesaghi M, Caldara G, Styczkiewicz
K, Bilo G, Giglio A, Colamartino E, Mazzoleni P, Savia
G, Di Rienzo M, Mancia G, Parati G. High altitude hypoxia
and periodic breathing during sleep: gender related differences.
The highcare project. 19 th European Meeting on
Hypertension 2009, Abstract, p. S333.
– Lombardi C, Castiglioni P, Meriggi P, Di Rienzo M, Parati
G. Sleep Disordered Breathing and High Altitude Hypoxia:
gender related differences. The Highcare project.

6 th Congress of The International Society for Autonomic
Neuroscience 2009, Sydney. In: Autonomic Neuroscience:
Basic and Clinical, Vol. 149, Aug 2009, 34 (Awarded by
ISAN2009 grant).
– Di Rienzo M, Conci F, Castiglioni P. Blood pressure and
heart rate fluctuations and baroreflex control: insights
from data before and after brain death. O. Dössel and W
C. Schlegel (Eds.): WC 2009, IFMBE Proceedings 25/IV,
pp. 1303-1305. IFMBE World Congress on Medical Physics
and Biomedical Engineering, 2009.
– Radaelli A, Castiglioni P, De Carlini C, Soriano F, Di Rienzo
M, Mancia G. Infusion of E. Coli Lipopolysaccharides Toxin
in Rats Produces A Severe Impairment of Baroreflex Function
in Absence of Blood Pressure Changes: Pp.32.261
Journal of Hypertension. 28:e528, June 2010.
– Di Rienzo M, Castiglioni P, Meriggi P, Rizzo F, Cacopardo
S, Guadagno AG. Textile Sensors for the Assessment of
Gravitational Stress and Cardiac Rhythm in Real Flight Manoeuvres.
Proc. of P-Health 2010, Berlino.
– Di Rienzo M, Castiglioni P, Meriggi P, Rizzo F, Trivelloni PA,
Cacopardo S, Guadagno AG. Assessment of Gravitational
Stress on Heart Rate Variability During Maneuvers on High
Performance Jet Flights. Proc of 32 th Conference of the
IEEE-EMBS 2010, Buenos Aires, pp. 3457-3459.
– Di Rienzo M, Castiglioni P, Meriggi P, Rizzo F, Cacopardo S,
Guadagno AG. Push-pull effect and cardiac rhythm in real
flight maneuvers: an assessment through a textile wearable
system. Proc. of the 31 st annual ISGP meeting/11 th
ESA life science symposium, Trieste 2010. In press on
Journal of Gravitational Physiology.
– Di Rienzo M, Castiglioni P, Rizzo F, Bilo G, Revera M, Faini
A, Lombardi C, Meriggi P, Parati G. Nonlinear cardiac effects
of high altitude hypoxia through the continuous DFA
(n) spectrum. Proc. 6 th ESGCO 2010, April12-14, 2010,
Berlin (D).
– Castiglioni P, Di Rienzo M. Gender Related Differences in
Scaling Structure of Heart-Rate and Blood-Pressure Variability
as Assessed by Detrended Fluctuation Analysis.
Computing in Cardiology 2010;37:137−140.
– Meriggi P, Castiglioni P, Lombardi C, Rizzo F, Mazzoleni P,
Linea di Ricerca 1
Faini A, Di Rienzo M, Parati G. Polisomnography in Extreme
Environments: the MagIC Wearable System for Monitoring
Climbers at Very-High Altitude on Mt.Everest Slopes.
Proc. Computing in Cardiology 2010, 37:1087-1090.
– Lombardi C, Meriggi P, Castiglioni P, Bartesaghi M, Caldara
G, Faini A, Bilo G, Revera M, Colamartino E, Gregorini
F, Giuliano A, Valentini M, Mazzoleni P, Di Rienzo M, Agostoni
P, Mancia G, Parati G. Cardio-Respiratory Adaptation
To High Altitude Hypoxia in Professional Climbers Versus
Non-Climbers. The Highcare Project: Pp.32.277 Journal of
Hypertension. 28:e532, June 2010.
– Di Rienzo M, Castiglioni P, Parati G. The Sequence Technique
Revised: Additional Concepts on the Assessment of
Spontaneous Baroreflex Function. Proc. of 32 th Conference
of the IEEE-EMBS 2010, Buenos Aires.
– Castiglioni P, Parati G, Cividjian A, Quintin L, Di Rienzo M.
Autonomic determinants of blood pressure and heart rate
self-similarity. Proc. 6 th ESGCO 2010, April 12-14, 2010,
Berlin (D).
– Castiglioni P, Di Rienzo M. Gender Related Differences in
Scaling Structure of Heart-Rate and Blood-Pressure Variability
as Assessed by Detrended Fluctuation Analysis.
Computing in Cardiology 2010;37:137−140.
Ricerca corrente
83

Ricerca corrente
84
Linea di Ricerca 1
Fig. 1
Frontespizio del modello standard
informatizzato per la Relazione di
Valutazione Ausili, predisposto per
la fi rma digitale.

Sviluppo e integrazione di sensori avanzati per
la domotica sanitaria, l’home care e la telemedicina
Responsabile: Di Rienzo Marco
INTRODUZIONE
In questo progetto si includono le attività svolte dal Laboratorio
dei Sensori Indossabili e Telemedicina (WeST Lab).
Sviluppo di metodologie per il telemonitoraggio domiciliare
Nel 2007 è partita una collaborazione, siglata con un accordo
formale, tra FDG e il consorzio del progetto europeo HEART-
FAID (A knowledge based platform of services for supporting
medical and clinical management of the heart failure
within the elderly population, FP6 – STREP – 01/02/2006 –
31/12/2009). Nell’ambito di tale collaborazione la maglietta
MagIC è stata utilizzata dal consorzio come strumento per
la rilevazione in tempo reale dei parametri vitali al domicilio
di pazienti affetti da scompenso cardiaco. A tal fine si è
quindi messa a punto una architettura hardware (basata su
TouchScreen PC e chiavetta USB-UMTS) che ha permesso
la raccolta semplificata dei dati provenienti dalla maglietta
(ECG e respiro) e la trasmissione automatica dei dati dalla
casa del paziente direttamente ai caregiver (in questo caso
3 cardiologi partecipanti al progetto) attraverso email. Dopo
una estesa validazione in laboratorio, il sistema è stato utilizzato
sul campo per monitorare 3 soggetti anziani (63, 72 e
82 anni) con scompenso cardiaco presso il loro domicilio. A
ciascun soggetto è stato chiesto di effettuare una sessione
di telemonitoraggio per 3 minuti ogni giorno per un mese.
Prima di ogni sessione il paziente indossava la maglietta e
accendeva il TouchScreen PC che automaticamente raccoglieva
i dati dalla maglietta, preparava l’email e la inviava ai
cardiologi, attraverso il collegamento UMTS. Tutti i pazienti
hanno seguito correttamente il protocollo. In questa sperimentazione
pilota, il sistema ha permesso una corretta trasmissione
dei dati in 85 sessioni sulle 90 effettuate (94%)
mentre in 5 casi è stato necessario ripetere la sessione a
causa di una congestione nel traffico telefonico. Al termine
del periodo di sperimentazione è stata fatta un’intervista ai
pazienti per raccogliere i loro commenti. I soggetti hanno
trovato la maglietta confortevole e il protocollo facile da seguire,
anche negli aspetti di interazione con il PC. Inoltre ci
Linea di Ricerca 1
hanno segnalato che attraverso questo sistema si sentivano
costantemente accuditi, chiedendoci di poter proseguire
con il monitoraggio. In un paziente abbiamo quindi proseguito
il monitoraggio per ulteriori 20 giorni. I cardiologi che
ricevevano i dati hanno trovato la qualità del segnale ECG
buona in 87 sessioni e il sistema di trasmissione via email
appropriato per una valutazione delle informazioni provenienti
dal paziente.
Integrazione di MagIC con sensori ambientali
Inoltre, le attività in questo settore si sono focalizzate sulla integrazione
della maglietta MagIC all’interno della casa domotica
DAT, realizzata all’interno del centro di S. Maria Nascente,
e sullo sviluppo di procedure software in grado di analizzare
le informazioni raccolte dalla maglietta all’interno del DAT,
estrarne i parametri essenziali e convogliare i dati verso un
server esterno. Quest’ultimo, integrando le informazioni provenienti
da MagIC con quelle provenienti da altri sensori contenuti
nella casa domotica, sarà in grado di attivare una serie
di allarmi in caso di necessità. Queste attività sono svolte in
sinergia con il progetto ACube.
Studio di fattibilità per un servizio di teleriabilitazione
Infine, in collaborazione con la sede FDG di Roma, si è studiata
la fattibilità di un servizio di teleriabilitazione respiratoria
domiciliare basata sul sistema MagIC. Questo studio è stato
oggetto di una tesi di laurea in Scienze della Riabilitazione.
A una prima fase di analisi dei requisiti clinici e tecnologici
necessari per l’attivazione del servizio, è seguita la fase di
progettazione vera e propria conclusa con una valutazione
sperimentale dell’architettura proposta. Quest’ultima è stata
in particolare realizzata simulando presso i nostri laboratori
sessioni reali di riabilitazione, in cui l’operatore e il “paziente”
che indossava la maglietta erano in locali differenti
e collegati tra loro con un sistema di videocomunicazione
bidirezionale operante attraverso un collegamento telefonico
ADSL tradizionale. Con l’architettura proposta l’operatore
può vedere su uno schermo sia il paziente che i suoi parametri
vitali provenienti in tempo reale dalla maglietta e può
quindi assegnare il piano degli esercizi, controllarne la correttezza
d’esecuzione, ed eventualmente modularne il carico
in modo che i parametri biologici rimangano sempre nei
Ricerca corrente
85

Ricerca corrente
86
Linea di Ricerca 1
limiti di sicurezza. La prova effettuata ha fornito una prima
indicazione positiva sulla adeguatezza della metodologia proposta
sia in termini tecnologici (di velocità del collegamento,
di qualità dei segnali biologici trasferiti e di qualità dei canali
audio video) che di rispondenza alle esigenze dell’operatore
che deve somministrare in remoto gli esercizi al paziente.
PRODOTTI SCIENTIFICI
– Di Rienzo M, Meriggi P, Rizzo F, Castiglioni P, Lombardi C,
Ferratini M, Parati G. Textile technology for the vital signs
monitoring in telemedicine and extreme environments.
IEEE Trans on Information Technology in BioMedicine.
14(3):711-717, 2010.
Abstract e Atti di congresso:
– Meriggi P, Rizzo F, Faini A, Chiarugi F, Karatzanis I, Zacharioudakis
G, Valentini M, Parati G, Castiglioni P, Di Rienzo
M. A New Simple Multimodal Platform for Home Monitoring
of Cardiac Patients through Textile Technology. Proc.
Computers in Cardiology 2009. pp. 93-96. IEEE Press.
– Sciacqua A, Valentini M, Gualtieri A, Perticone F, Faini A,
Zacharioudakis G, Karatzanis I, Chiarugi F, Assimakopoulou
C, Meriggi P, Di Rienzo M, Parati G. Validation of a Flexible
and Innovative Platform for the Home Monitoring of Heart
Failure Patients: Preliminary Results. Proc. Computers in
Cardiology 2009. pp. 97-100. IEEE Press.
Altri documenti:
– Meriggi P, Castiglioni P, Di Rienzo M. Algorithms for the
analysis of data from the accelerometer. 2010, Deliverable
2.4.3, progetto ACube.
– Castiglioni P, Meriggi P, Rizzo F, Carabalona R, Di Rienzo
M. Algorithms for the analysis of cardio-respiratory signals.
2010, Deliverable 2.4.2, progetto ACube.
– Di Curzio D. Progetto di un servizio di teleriabilitazione respiratoria
domiciliare. Tesi di Laurea Specialistica. Scienze
della Riabilitazione, Facoltà di Medicina, Università di Tor
Vergata, Roma, aprile 2010.
Sviluppo e validazione di sistemi
per la rilevazione e analisi di segnali biologici
attraverso sensori indossabili
Responsabile: Ing. Marco Di Rienzo
INTRODUZIONE
Queste attività sono state svolte dal Laboratorio dei Sensori
Indossabili e Telemedicina (WeST Lab) con la collaborazione
del Laboratorio di Ricerche Cardiovascolari (LaRC) e il Laboratorio
di Tecniche Avanzate di Analisi e Trattamento dei
Biosegnali del Polo Tecnologico.
Le attività si sono principalmente focalizzate su quattro obiettivi:
1) sviluppare soluzioni tecnologiche migliorative del sistema
MagIC a supporto della sua imminente industrializzazione,
2) valutare le prestazioni di MagIC in condizioni ambientali
estreme, 3) sviluppare procedure per l’estrazione dal segnale
accelerometrico registrato da MagIC del sismocardiogramma
(rappresentazione delle microvibrazioni prodotte dall’attività
meccanica del cuore durante la contrazione e dall’eiezione del
sangue nel letto vascolare) e 4) realizzare un sistema tessile
per il monitoraggio dei segni vitali nei neonati.
Sviluppo di soluzioni tecnologiche migliorative del sistema
MagIC a supporto della sua industrializzazione
Per quanto riguarda la parte tessile della maglietta, si è proceduto
al ridisegno della struttura degli elettrodi tessili e del
sistema di connessione tra maglietta ed elettronica. In particolare,
si sono riprogettati gli elettrodi in termini di fibre
tessili utilizzate, modalità di tessitura, geometria e posizionamento
al fine di migliorare la qualità del segnale e ridurre
costi e tempi di produzione. Inoltre si sono riprogettate le
modalità di connessione tra maglietta ed elettronica in modo
da rendere il collegamento più robusto e permetterne una
produzione a livello industriale.
Anche la parte elettronica è stata ridisegnata in modo da migliorare
la qualità dei segnali, aumentare la potenza di calcolo
e aumentare l’autonomia della batteria. È stato inoltre
sviluppato un nuovo algoritmo di filtraggio digitale, basato su
una batteria di filtri FIR a media mobile, che permette una
migliore reiezione degli artefatti da movimento e garantisce
una migliore stabilità della linea di base del segnale elettrocardiografico.

Valutazione delle prestazioni di MagIC in condizioni
ambientali estreme
Il sistema MagIC è stato utilizzato per la raccolta dei parametri
vitali in due spedizioni in alta quota sul Monte Everest
e sul Monte Rosa mirate a studiare le risposte fisiologiche
indotte dall’ipossia. Gli aspetti biologici dei dati raccolti sono
stati valutati nell’ambito delle attività illustrate nella ricerca
“Sviluppo e applicazione clinica di metodologie per lo studio
del sistema cardiorespiratorio e dei suoi meccanismi di
controllo”. Nella presente ricerca, si sono invece valutate le
prestazioni tecniche del sistema in relazione alle condizione
ambientali e operative estreme in cui ci si è trovati a operare.
Per quanto riguarda la spedizione sul Monte Everest, sono
stati utilizzati 30 sistemi MagIC che hanno permesso la realizzazione
di 115 registrazioni. L’analisi dei dati ha fornito
risultati estremamente positivi, evidenziando solo 4 registrazioni
su 115 (3,5%) con qualità del segnale non adeguata.
Nelle 111 registrazioni rimanenti, il tasso medio di artefatti
rispetto all’intera durata della registrazione è risultato essere
estremamente basso: circa il 4,5% per le registrazioni effettuate
durante il sonno e 8,2% per le registrazioni effettuate
nelle 24 ore.
Inoltre, nel luglio 2010 il sistema MagIC è stato di nuovo
utilizzato nella spedizione scientifica sulla Capanna Margherita
(4580 m, Monte Rosa) per proseguire la raccolta dei dati
sperimentali sull’effetto dell’ipossia. In questa occasione
sono state utilizzate 25 magliette. La spedizione è stata organizzata
nell’ambito della Ricerca Finalizzata bando 2008
“Disturbi del respiro nel sonno in pazienti con scompenso
cardiaco cronico: ipossia ipobarica come modello per definire
procedure diagnostiche, strategie terapeutiche e differenze
sesso-correlate”. L’analisi delle prestazioni del sistema
MagIC in questa missione ha confermato i risultati ottenuti
nella spedizione precedente.
Sviluppo di procedure per l’estrazione
del sismocardiogramma dal segnale accelerometrico
registrato da MagIC
Dall’analisi dei dati raccolti durante il sonno in alta quota si
è rilevato come l’accelerometro inserito nel modulo elettronico
del sistema MagIC fosse in grado di registrare anche
Linea di Ricerca 1
le microvibrazioni prodotte dal cuore durante la contrazione
ventricolare e dal passaggio del sangue dal ventricolo al circolo
(sismocardiogramma). Successive osservazioni hanno
mostrato che questo segnale si rileva anche in condizioni
ambientali normali sia durante il sonno che durante il giorno
negli istanti in cui il soggetto è spontaneamente fermo.
Su questa base è quindi iniziata un’attività di ricerca volta
a ottimizzare la rilevazione di questo segnale attraverso il
sistema MagIC, e meglio studiarne i correlati biologici e
l’applicabilità clinica. Nel settembre 2011 è stata organizzata
una sessione speciale su questo argomento all’interno
del congresso annuale della IEEE Engineering in Medicine
and Biology Society dove sono stati presentati i risultati da
noi conseguiti.
Sviluppo di un sistema tessile per il monitoraggio
dei segni vitali nei neonati
Infine nel corso del 2010 si sono eseguite le prime sperimentazioni
presso l’Ospedale Buzzi di Milano sull’utilizzo
della maglietta MagIC per la rilevazione dell’ECG nei neonati.
I primi risultati, estremamente incoraggianti in termini di
leggibilità del segnale e di semplicità strumentale, sono stati
successivamente oggetto di una presentazione al convegno
delle Pediatric Academic Societies che si è svolta a Denver
nell’aprile 2011.
PRODOTTI SCIENTIFICI
– Di Rienzo M, Rizzo F, Meriggi P, Castiglioni, P, Mazzoleni
P, Parati G, Bordono B, Brambilla G, Ferratini M. MagIC
System: Advancements in the monitoring of cardiorespiratory
function in active people by textile technology. IEEE
EMB Mag, 28(6): 35-40, 2009.
– Di Rienzo M, Castiglioni P, Rizzo F, Faini A, Mazzoleni P,
Lombardi C, Meriggi P, Parati G. Textile technology to investigate
linear and fractal heart rate dynamics during sleep
at high altitude. Methods of Information in Medicine. 2010
Jun 22;49:521-525.
– Di Rienzo M, Meriggi P, Rizzo F, Castiglioni P, Lombardi C,
Ferratini M, Parati G. Textile technology for the vital signs
monitoring in telemedicine and extreme environments.
IEEE Trans on Information Technology in BioMedicine.
14(3):711-717, 2010.
Ricerca corrente
87

Ricerca corrente
88
Linea di Ricerca 1
Capitoli di libro:
– Di Rienzo M. La tecnologia tessile per la rilevazione di risposte
fisiologiche. In: (M. Canina edt.) IndossaME. Il design e
le tecnologie indossabili. Franco Angeli editore, 2010.
Abstract e Atti di congresso:
– Di Rienzo M, Castiglioni P, Rizzo F, Bilo G, Revera M, Faini
A, Lombardi C, Meriggi P, Parati G. Textile technology and
assessment of linear and nonlinear cardiac effects of high
altitude hypoxia during sleep on Mount Everest. Proc. 6 th
International Workshop on Biosignal interpretation, Yale,
24-26 June 2009, pp. 45-47.
– Lombardi C, Meriggi P, Bartesaghi M, Caldara G, Styczkiewicz
K, Bilo G, Giglio A, Colamartino E, Mazzoleni P,
Savia G, Di Rienzo M, Mancia G, Parati G. High altitude
hypoxia and periodic breathing during sleep: gender related
differences. The Highcare Project. 19 th European Meeting
on Hypertension 2009, Abstract p. S333.
– Di Rienzo M, Meriggi P, Lombardi C, Rizzo F, Mazzoleni
P, Bartesaghi M, Faini A, Parati G. MagIC: a textile monitoring
system for polysomnography at high altitude – The
Highcare Project. 19 th European Meeting on Hypertension
2009, Abstract p. S408.
– Lombardi C, Castiglioni P, Meriggi P, Di Rienzo M, Parati
G. Sleep Disordered Breathing and High Altitude Hypoxia:
gender related differences. The Highcare project. 6 th Congress
of The International Society for Autonomic Neuroscience
2009, Sydney. In: Autonomic Neuroscience: Basic
and Clinical, Vol. 149, Aug 2009, 34 (awarded by ISAN2009
grant).
– Di Rienzo M, Castiglioni P, Rizzo F, Bilo G, Revera M, Faini
A, Lombardi C, Meriggi P, Parati G. Nonlinear cardiac effects
of high altitude hypoxia through the continuous DFA
(n) spectrum. Proc. 6 th ESGCO 2010, April 12-14, 2010,
Berlin (D).
– Meriggi P, Castiglioni P, Lombardi C, Rizzo F, Mazzoleni
P, Faini A, Di Rienzo M, Parati G. Polisomnography in
Extreme Environments: the MagIC Wearable System for
Monitoring Climbers at Very-High Altitude on Mt. Everest
Slopes. Proc. Computing in Cardiology 2010, 37:1087-
1090.
– Lombardi C, Meriggi P, Castiglioni P, Bartesaghi M, Caldara
G, Faini A, Bilo G, Revera M, Colamartino E, Gregorini F,
Giuliano A, Valentini M, Mazzoleni P, Di Rienzo M, Agostoni
P, Mancia G, Parati G. Cardio-Respiratory Adaptation
To High Altitude Hypoxia in Professional Climbers Versus
Non-Climbers. The Highcare Project: Pp.32.277 Journal of
Hypertension. 28:e532, June 2010.

Technology Assessment degli ausili per le persone
disabili e anziane
Responsabile: Andrich Renzo
INTRODUZIONE
Lo sviluppo di efficaci modelli di intervento nel settore degli
ausili richiede l’apporto di una vasta gamma di competenze
interdisciplinari. I processi coinvolti sono molteplici: perfezionamento
dell’assetto normativo (livelli essenziali di assistenza;
nomenclatore tariffario delle protesi; accreditamento dei
prodotti; normative complementari a livello regionale); creazione
di strumenti informativi e formativi in grado di veicolare
le conoscenze sugli ausili ai vari attori coinvolti; sviluppo
di metodologie, e dei relativi strumenti informatici di supporto,
per la prescrizione e la fornitura degli ausili; controllo di
qualità degli ausili forniti; ricerca di nuove soluzioni assistive
basate su tecnologie innovative. La spinta ad una razionalizzazione
della spesa pubblica, che sta investendo sempre
maggiormente questo settore, rende inoltre fondamentale
la messa a punto di metodologie per il controllo di qualità e
l’analisi economica degli interventi.
OBIETTIVI
Questa ricerca prende in considerazione uno specifico aspetto
del percorso riabilitativo e assistenziale: quello del reinserimento
della persona con disabilità nel proprio normale ambiente
di vita e della consegna degli strumenti per diventare
egli stesso attivo protagonista della propria partecipazione
alla vita sociale. In questa fase giocano un ruolo di primo
piano le tecnologie di ausilio e quell’approccio progettuale
all’ambiente, ai prodotti e ai servizi oggi noto come design
for all. Obiettivo della ricerca è esplorare gli aspetti critici
connessi all’implementazione di tali tecnologie sia a livello di
prassi clinica che di organizzazione dei servizi socio-sanitari,
al fine di mettere a punto e sperimentare strumenti e metodologie
per ottimizzare le varie fasi di questo processo.
METODI
Le finalità della ricerca vengono perseguite in 4 principali
direzioni:
1. sviluppo di strumenti e metodologie innovative per l’informazione
e la formazione a distanza dei vari attori coinvolti
nel settore;
Linea di Ricerca 1
2. networking tra i ricercatori nel settore delle tecnologie di
ausilio, sia a livello nazionale che internazionale (in particolare
attraverso l’AAATE – Association for the Advancement
of Assistive Technologies in Europe);
3. elaborazione di contributi per lo sviluppo dei sistemi di assistenza
protesica a livello nazionale (nomenclatore tariffario
e repertorio ausili del Ministero della Sanità) e regionale.
4. sviluppo e sperimentazione di metodi e strumenti per valutare
la qualità tecnica (sicurezza, robustezza, funzionalità,
affidabilità, usabilità), l’efficacia (conseguimento degli
obiettivi), l’utilità (valore percepito dall’utente) e l’efficienza
(rapporto tra investimenti economici e risultati) degli ausili.
RISULTATI
Le attività svolte in questo periodo hanno riguardato principalmente
quattro aspetti.
• Networking tra i ricercatori nel settore delle tecnologie di
ausilio, sia a livello nazionale – attraverso il Gruppo di Lavoro
Nazionale dei Centri Ausili (GLIC) – che internazionale
– attraverso l’AAATE (Association for the Advancement
of Assistive Technology in Europe). In particolare, è stato
dato un attivo contributo alla preparazione e alla conduzione
della Conferenza Internazionale AAATE 2009 (Firenze, 31/8-
2/9/2009), del Workshop Internazionale “Assistive Technology
– Technology Transfer” Sheffield, Gran Bretagna,
4-5/10/2010), e al Seminario di Ricerca Nazionale “Valutazione
costi / efficacia degli interventi assistenziali per le persone
con disabilità”, tenutosi a Malosco (TN) il 18-21/7/2010
in collaborazione con la Fondazione “Emanuela Zancan” di
Padova.
• Aggiornamento dell’informazione sugli ausili tecnologici
disponibili sul mercato italiano recensita nel Portale SIVA
(www.portale.siva.it), con produzione di oltre 1800 schede
tecniche dettagliate su ciascun prodotto di ausilio alle
persone con disabilità, appartenente all’intero spettro della
classificazione internazionale ISO 9999:2007.
• Il tema del Technology Assessment nel settore delle tecnologie
per la disabilità è stato inoltre uno dei nuclei essenziali
dell’ampia e articolata attività didattica svolta dal team di
ricerca, all’interno del Corso di Perfezionamento Universitario
“Tecnologie per l’Autonomia” (febbraio-maggio 2009
Ricerca corrente
89

Ricerca corrente
90
Linea di Ricerca 1
e febbraio-maggio 2010, che ha portato alla produzione di
43 elaborati accademici, pubblicati sul Portale SIVA www.
portale.siva.it).
• Attraverso un percorso di acquisizione di casistica, focus
group e sperimentazione con gli operatori del Servizio DAT
del Centro IRCCS S. Maria Nascente e di vari Centri Ausili
appartenenti alla rete GLIC, è stato messo a punto un modello-standard
informatizzato per la stesura della Relazione
di Valutazione Ausili preparatoria alle prescrizioni protesiche.
PRODOTTI SCIENTIFICI
Paper ammesse alla pubblicazione:
– Andrich R. Assessing AT solutions within occupational
therapy programs. AAATE 2011 Conference, Maastricht
31/8-2/9/2011).
Domotica per la disabilità
Responsabile: Gower Valerio
INTRODUZIONE
Nel corso degli ultimi anni la domanda nelle potenzialità offerte
dalle tecnologie per l’automazione dell’ambiente domestico
ha visto un rapido aumento. Per dare risposta a questa
crescente esigenza, la Fondazione Don Gnocchi ha allestito,
presso il centro IRCCS S. Maria Nascente, un nuovo servizio
denominato DAT (Domotica, Ausili, Terapia Occupazionale), la
cui organizzazione rende possibile associare al percorso clinico/terapeutico
dell’utente attività di sperimentazione clinica e
tecnologica sul campo. La ricerca “Domotica per la disabilità”
si propone, attraverso ricerche e sperimentazioni condotte
nell’ambito di tale servizio, di sviluppare strumenti operativi
per poter fornire una risposta concreta a questa crescente
esigenza di autonomia e sicurezza nell’ambito domestico.
OBIETTIVI
La ricerca ha per oggetto lo sviluppo e la sperimentazione di
dispositivi, metodologie e strumenti per l’automazione “intelligente”
dell’ambiente di vita della persona con disabilità,
perseguendo un approccio di interoperatività e integrazione
a quattro livelli (con l’impiantistica di base, con arredi ed
elettromestici, con le tecnologie assistive, e con i sistemi
di monitoraggio per la home care). In particolare è finalizzata
a individuare e sperimentare protocolli di lavoro e strumenti
operativi volti a migliorare la qualità di vita, la sicurezza e
l’autonomia delle persone con disabilità e delle persone anziane
in ambito domestico, riducendo nel contempo il carico
assistenziale di familiari e caregiver in genere.
METODI
La ricerca si articola fondamentalmente in 2 linee di lavoro:
La prima riguarda la validazione sperimentale della casa domotica
del servizio DAT. Questa fase prevede sperimentazioni
sia di tipo clinico, volte a individuare protocolli di lavoro
che permettano di raggiungere l’obiettivo di migliorare il livello
di autonomia e sicurezza nell’ambito domestico, che
di tipo tecnologico, mirate a verificare l’efficacia e l’utilità di
strumenti per l’automazione e più in generale per le attività
di vita quotidiana nell’ambito domestico.
La seconda prevede lo sviluppo di interfacce di comunicazio-

ne e controllo per il sistema domotico e di sistemi che facilitino
la configurazione e personalizzazione degli strumenti per
il controllo ambientale.
RISULTATI
Nel corso del biennio 2009-2010 le attività relative a questo
ambito di ricerca hanno riguardato principalmente due aspetti:
• lo sviluppo e la sperimentazione di un protocollo di lavoro
per l’educazione all’autonomia, volto a valorizzare e ottimizzare
l’utilizzo terapeutico delle risorse tecnologiche
messe a disposizione dal servizio DAT;
• lo sviluppo di nuovi strumenti per l’interfacciamento con il
sistema di automazione installato presso la casa domotica
del servizio DAT.
Per quanto riguarda il primo aspetto sono state svolte due
diverse tipologie di sperimentazione.
La prima riguarda il follow-up di casi di utenti per i quali è
stata effettuata, presso il servizio DAT, una prestazione di valutazione
individualizzata degli ausili informatici. Per queste
tipologie di utenti è stato progettato un protocollo per l’esecuzione
di un sopralluogo domiciliare dedicato alla verifica
tecnica dell’ausilio fornito. Gli obiettivi del protocollo sono
quelli di verificare se gli ausili acquisiti siano stati correttamente
messi in opera, se siano insorte difficoltà tecniche, se
l’utente ne abbia correttamente appreso l’uso e la manutenzione.
Il sopralluogo ha anche la funzione di sondare la soddisfazione
dell’utente e della sua rete (familiari, caregiver, colleghi
di lavoro, insegnanti ecc., a seconda del caso) rispetto
agli ausili utilizzati, e di riportare agli operatori che avevano
effettuato il trattamento eventuali problematiche. Nel corso
del 2009 sono stati effettuati follow-up tecnici per tre utenti.
I dati ricavati da questa sperimentazione sono stati utilizzati
per individuare potenziali miglioramenti del servizio.
La seconda tipologia di sperimentazioni si inserisce nell’ambito
dei percorsi riabilitativi di terapia occupazionale attivi
presso il servizio DAT. È stato messo a punto un protocollo
di lavoro finalizzato ai seguenti obiettivi:
• offrire all’utente un percorso informativo e di apprendimento
degli ausili per la propria autonomia e delle possibili
soluzioni tecnologiche implementabili presso il proprio
domicilio;
Linea di Ricerca 1
• elaborare per ogni utente, a fronte delle valutazioni e
dell’addestramento effettuato presso il servizio DAT, un
consiglio dettagliato sugli ausili appropriati e un progetto
di massima degli eventuali interventi da realizzare presso
il proprio domicilio;
• nel caso l’utente realizzi effettivamente tali interventi, valutarne
a posteriori l’efficacia e l’utilità;
• acquisire durante tale percorso una serie di informazioni
utili a verificare l’efficacia e l’usabilità delle tecnologie installate
presso la casa domotica, al fine di individuare le
eventuali modifiche necessarie.
Le sperimentazioni hanno richiesto una stretta interazione
tra l’équipe clinica del servizio e i ricercatori dell’area tecnologie
assistive del Polo Tecnologico.
Per quanto riguarda invece il secondo punto, ovvero lo sviluppo
di nuove interfacce per il controllo e la comunicazione
con il sistema domotico dell’appartamento del servizio DAT,
è stato implementato un sistema che permette la comunicazione
tra un calcolatore e l’impianto di automazione della
casa domotica. Il sistema, basato su librerie open source in
linguaggio Java, permette una comunicazione bidirezionale
tra il computer e il sistema BUS della casa domotica utilizzando
il protocollo TCP/IP. In questo modo è possibile sia
monitorare l’impianto domotico, ovvero conoscere in tempo
reale lo stato dei dispositivi installati nella casa, sia azionare
da remoto i dispositivi.
Questo sistema di comunicazione con l’impianto domotico
rappresenta un componente fondamentale sotto due aspetti:
• la possibilità di sviluppare nuove interfacce di comando
basate su PC;
• la possibilità di utilizzare le informazioni provenienti dai
sensori installati nell’impianto domotico, integrandole, per
esempio, in piattaforme per il monitoraggio ambientale.
Sfruttando il sistema di comunicazione sopra citato, è stata
implementata un’interfaccia di comando della casa domotica
con speciali caratteristiche che ne facilitano l’utilizzo da parte
di persone con disabilità motoria. L’interfaccia di comando,
realizzata tramite un software che permette la creazione di
“griglie” per la comunicazione e il controllo del PC, permette
di navigare per i vari ambienti della casa domotica e di azio-
Ricerca corrente
91

Ricerca corrente
92
Linea di Ricerca 1
nare i dispositivi collegati al sistema di automazione, sia a
selezione diretta che in modalità a scansione attraverso l’utilizzo
di sensori di comando (come per esempio un pulsante)
collegati al PC.
Fig. 1
Due schermate del software per il controllo delle automazioni
nella casa domotica del DAT.
È stata inoltre svolta un’attività di training individualizzato
all’utilizzo delle interfacce di comando sopra citate per gli
operatori del servizio DAT.
Misura semplificata dei volumi respiratori
e dei movimenti del torace attraverso sistemi
optoelettronici
Responsabile: Mazzoleni Paolo
INTRODUZIONE
Nel passato, è stata messa a punto presso i nostri laboratori
una metodologia innovativa, oggetto di brevetti, che permette
la rilevazione dinamica dei movimenti del torace e il calcolo
dei volumi respiratori compartimentali attraverso l’uso di
sistemi optoelettronici. La metodica originale prevede l’applicazione
sul tronco del soggetto da analizzare di 89 marcatori
autoadesivi. I marcatori sono costituiti da semisfere di
plastica del diametro di un centimetro, sono ricoperti di carta
riflettente e vengono posizionati in una configurazione a griglia
sulla base di opportuni punti di repere anatomici. La metodologia
permette misure estremamente accurate, come
evidenziato da una vasta letteratura a riguardo, ma l’elevato
numero di marcatori da posizionare allunga notevolmente il
tempo necessario per la preparazione del soggetto e aumenta
la probabilità di errato posizionamento dei marcatori stessi
(con conseguente errore nelle misure finali).
Obiettivo della nostra ricerca è pertanto mettere a punto un
nuovo protocollo sperimentale che permetta una stima dei
volumi respiratori con un setup sperimentale semplificato
rispetto al protocollo tradizionale (riducendo il numero di
marker da 89 a 72) in condizioni sia statiche che dinamiche.
Nel biennio 2009-2010 si è conclusa la fase di disegno e ottimizzazione
del software e dei protocolli di analisi su soggetti
patologici. In collaborazione con il Dott. Gigliotti del Centro
FDG “S. Maria agli Ulivi” di Firenze, abbiamo ottenuto misurazioni
su pazienti affetti da Pectus Excavatum. Questa patologia
invalidante è caratterizzata da una deformazione della
cassa toracica e può esitare in un deficit respiratorio. L’analisi
di questi dati ci ha permesso di valutare l’efficacia del
nuovo protocollo anche in presenza di importanti modifiche
alla struttura del torace. Lo studio ha coinvolto 7 soggetti di
controllo, 9 soggetti affetti da broncopneumopatia cronica
ostruttiva (COPD) e 10 soggetti affetti da Pectus Excavatum.
I risultati sui volumi totali hanno sostanzialmente confermato
la validità dell’algoritmo. Infatti gli scostamenti fra i volu-

mi calcolati con la metodologia tradizionale (89 marker) e il
nuovo algoritmo su tutti i soggetti analizzati risultano essere
inferiori allo 0,15% sia in condizioni statiche che dinamiche
e con una deviazione standard che è inferiore allo 0,1% per
la dinamica e allo 0,05% per la statica.
Inoltre, partendo dalle procedure sopra illustrate, si è anche
sviluppata una nuova metodologia che permette di quantificare
le deformazioni fisiologiche del torace e dei capi di vestiario
sensorizzati (indumenti intelligenti) durante atti motori
complessi. Questa tecnica viene correntemente utilizzata
per ottimizzare il design dei differenti prototipi della maglietta
MagIC. I dettagli della metodica sono stati oggetto di pubblicazione
su rivista indicizzata e come capitolo di libro.
PRODOTTI SCIENTIFICI
– Di Rienzo M, Rizzo F, Meriggi P, Castiglioni, P, Mazzoleni
P, Parati G, Bordono B, Brambilla G, Ferratini M. MagIC
System: Advancements in the monitoring of cardiorespiratory
function in active people by textile technology. IEEE
EMB Mag, 28(6): 35-40, 2009.
Capitolo di libro:
– Di Rienzo M. La tecnologia tessile per la rilevazione di risposte
fisiologiche. In: (M. Canina edt.) IndossaME. Il design e
le tecnologie indossabili. Franco Angeli editore, 2010.
Linea di Ricerca 1
Lo stretching. Effetti sulla contrazione muscolare
nella riabilitazione e nello sport
Responsabile: Veicsteinas Arsenio
INTRODUZIONE
Lo stretching è una pratica abituale sia in ambito riabilitativo
sia sportivo. Insieme al miglioramento del range di movimento
articolare e alla riduzione dell’incidenza degli eventi
traumatici, sempre più lavori hanno riportato una diminuzione
dei livelli di massima potenza e forza muscolare in seguito
a una singola applicazione di stretching passivo. I meccanismi
neuro-muscolari sottostanti alle suddette diminuzioni
di performance muscolare sono ancora oggetto di discussione.
Una loro miglior interpretazione potrebbe portare all’attuazione
di strategie più mirate per integrare tale metodica
all’interno di un percorso riabilitativo o programmazione di
allenamento.
OBIETTIVO
Il progetto ha un duplice obiettivo: i) analizzare gli effetti di
un protocollo di stretching passivo sulla massima potenza
muscolare (Wmax) e ii) valutare le modificazioni elettromeccaniche
sottostanti tramite un’innovativa analisi combinata
comprendente il segnale elettromiografico di superficie
(EMG), e il segnale meccanomiografico (MMG) e di forza.
METODI
Lo studio è stato diviso in due distinte fasi sperimentali.
Fase 1: in due occasioni, diciassette soggetti hanno eseguito,
su una pedana piezoelettrica, quattro serie di salti (squat jump,
cinque salti per serie) con differenti angoli articolari al ginocchio
(i.e. 50°-70°-90°-110°, dove 0° rappresenta la massima
estensione del ginocchio). Le serie di salti sono state eseguite
i) prima di una routine di stretching passivo a carico dei muscoli
estensori del ginocchio e dei flessori plantari e ii) dopo un analogo
periodo di riposo. Per ogni angolo articolare sono state
calcolate la Wmax, la velocità massima (Vmax) e il momento
angolare a livello del ginocchio. Dall’analisi della relazione potenza/angolo
articolare è stato inoltre calcolato il grado articolare
teorico al quale sarebbe prodotta la massima potenza.
Fase 2: lo stesso gruppo di partecipanti è stato sottoposto
a stimolazioni tetaniche (50Hz) del muscolo gastrocnemio
mediale prima, immediatamente dopo e durante le succes-
Ricerca corrente
93

Ricerca corrente
94
Linea di Ricerca 1
sive 2 ore (recupero, una stimolazione ogni 15 min) un protocollo
di stretching passivo della durata di 5 minuti (45 s on
/ 15 s off) per i muscoli flessori plantari o un analogo periodo
di riposo. Durante le stimolazioni sono stati rilevati i segnali
EMG, MMG e di forza. Da essi sono stati calcolati per la forza
il picco di forza (pF), il tempo di raggiungimento del picco
(CT), la velocità e l’accelerazione massima di sviluppo della
forza (dF/dt e d2F/dt 2 ) e il tempo di emi-rilasciamento (½RT);
l’Errore Quadratico Medio (RMS), la Frequenza Media (MF)
e la velocità di conduzione a livello della fibra muscolare (CV)
per il segnale EMG e il valore di picco-picco (p-p), la RMS e la
MF per il segnale MMG. Inoltre, dai ritardi tra l’inizio del segnale
EMG, MMG (EMG-MMG) e la successiva produzione
di forza (MMG-Forza), sono stati calcolati i rispettivi delays
elettro-meccanici.
RISULTATI
Fase 1: dopo stretching 1) Wmax e Vmax sono diminuite
significativamente, in particolare a 50° e 70°; 2) è stato trovato
uno spostamento verso angoli più prossimi alla massima
flessione dell’angolo articolare teorico al quale sarebbe
sviluppata la Wmax. Una diminuzione della stiffness a carico
dell’unità muscolo-tendinea indotta dallo stretching, con
conseguente perdita di efficacia della trasmissione di forza
a livello del punto d’inserzione muscolare e riduzione della
velocità di esecuzione del gesto e della potenza prodotta sarebbe
all’origine di questo evento. Questo processo sarebbe
più evidente ad angoli articolari più prossimi a un’estensione
completa per via di una ridotta attivazione degli estensori
del ginocchio (minore momento angolare del ginocchio a 50°
e 70°). Questo fenomeno potrebbe altresì spiegare lo spostamento
verso angoli più prossimi alla massima flessione
dell’angolo teorico di Wmax ritrovati dopo stretching: la diminuita
attivazione della muscolatura estensoria del ginocchio
dopo stretching farebbe sì che valori di attivazione analoghi
alla condizione antecedente lo stretching si vadano a ottenere
a gradi angolari più acuti, dove una maggior attivazione del
quadricipite è stata evidenziata.
Fase 2: dopo stretching 1) non si sono evidenziate modificazioni
nei parametri EMG; 2) il MMG p-p è diminuito (−16%) e
tale diminuzione è rimasta invariata per tutto il periodo di re-
cupero; 3) la RMS del MMG è significativamente aumentata
(+20%) ma dopo 15 minuti è tornata a valori pre-stretching;
4) i pF, dF/dt e d2F/dt 2 sono significativamente diminuiti
(−32%, 35% e 54%, rispettivamente) e sono rimasti depressi
per tutto il periodo di recupero; 5) i delays tra EMG-MMG
ed EMG-Forza sono significativamente aumentati dopo
stretching. Mentre il primo è tornato a valori pre-stretching
dopo 15 min, il secondo è rimasto allungato per tutto il periodo
di recupero. Dall’analisi dei segnali MMG e di forza
si può evincere come le alterazioni indotte dallo stretching
passivo della stiffness dell’unità muscolo-tendinea e della
capacità di generare forza da parte del muscolo restino alterate
per almeno due ore. Inoltre, analizzando le costituenti
dell’unità muscolo-tendinea, dall’analisi del segnale MMG si
può ipotizzare un diverso timing di recupero da parte degli
elementi elastici in parallelo (MMG RMS), rispetto a quelle
in serie (MMG p-p). Per quanto riguarda i delays, è ipotizzabile
un effetto di minor durata sulle caratteristiche contrattili
del muscolo (recupero delay EMG-MMG dopo 15 minuti, il
quale indicherebbe un pieno recupero di tutti gli eventi legati
ai processi di accoppiamento eccitazione-contrazione),
accompagnati da un persistente allungamento del delay tra
MMG-Forza, il quale suggerirebbe un’alterazione dell’unitàmuscolo-tendinea
(in particolare degli elementi elastici in serie)
di più tardivo recupero.
ASPETTI APPLICATIVI
Alla luce dei risultati ottenuti si può notare come l’applicazione
di un protocollo di stretching passivo induca una diminuzione
dello sviluppo della Wmax e del picco di forza
sviluppata, che perdurerebbero per almeno 2 ore dall’applicazione
dello stretching stesso. Tali riduzioni sarebbero da
imputare a modificazioni transitorie della stiffness dell’unità
muscolo-tendinea, i quali costituenti, pur con tempi di recupero
differenti, renderebbero il trasferimento della forza
generata dalla contrazione muscolare al sistema articolare
meno efficiente. Sarebbe quindi auspicabile, nell’organizzazione
di una seduta riabilitativa o di un allenamento sportivo,
prevedere delle sessioni di stretching solo al termine della
seduta stessa o sufficientemente lontane dalla fase allenante,
qualora la seduta fosse orientata al ripristino o al migliora-

mento della massima forza Wmax e al miglioramento delle
abilità propriocettive, come per esempio durante un lavoro
di tipo pliometrico.
PRODOTTI SCIENTIFICI
Il progetto ha dato come risultato le seguenti pubblicazioni:
Pubblicazioni recensite su PUBMED con impact factor
– Esposito F, Cè E, Limonta E. Cycling efficiency and time
to exhaustion are reduced after acute passive stretching
administration. Scand J Med Sci Sports, 2011. doi:
10.1111/j.1600-0838.2011.01327.x.
– Esposito F, Limonta E, Cè E. Passive stretching. Effects
on electromechanical delay and time course of recovery in
human skeletal muscle: new insights from an electromyographic
and mechanomyographic combined approach. Eur
J Appl Physiol, 2010 Oct 1. IF 2.047.
– La Torre A, Castagna C, Gervasoni E, Cè E, Rampichini S,
Ferrarin M, Merati G. Acute Effects of Static Stretching on
Squat Jump Performance at Different Knee Starting Angles.
J Strength Cond Res. 2010, 24(3), 687-94. IF: 1.457.
– Esposti R, Esposito F, Cè E, Baldissera F. Difference in the
metabolic cost of postural actions during iso- and antidirectional
coupled oscillations of the upper limbs in the horizontal
plane. Eur J Appl Physiol. 2010: 108: 93-104. IF 2.047.
– Maggioni MA, Cè E, Rampichini S, Ferrario M, Giordano G,
Veicsteinas A, Merati G. Electrical stimulation versus kinesitherapy
in improving functional fitness in older women.
Arch Gerontol Geriatr, 2009 May 27. IF 1.572.
Pubblicazioni su riviste internazionali con comitato di revisione
– Limonta E, Squadrone R, Rodano R, Marzegan A, Veicsteinas
A, Merati G, Sacchi M. Tridimensional kinematic
analysis on a kayaking simulator: key factors to successful
performance. Sport Sci Health (2010) 1:27–34.
Linea di Ricerca 1
Il ruolo dei radicali liberi prodotti durante esercizio
muscolare sul tessuto muscolare
Responsabile: Veicsteinas Arsenio
INTRODUZIONE
L’esercizio rimodella il muscolo scheletrico in maniera molto
profonda. I segnali nervosi, gli stimoli meccanici e la diffusione
di molecole segnale, sia per via sistemica sia per via
paracrina, hanno un ruolo importante in tale rimodellamento.
L’attività muscolare determina un maggior dispendio di
energia e quella porzione di energia che viene ricavata dal
metabolismo ossidativo determina a sua volta una maggiore
produzione delle cosiddette “Specie Reattive dell’Ossigeno”
(ROS); oltre a essere dei potenziali agenti di danno a
livello subcellulare, esse costituiscono la base della segnalazione
che induce a risposte adattative e citoprotettive. Indubbiamente
il ruolo dei ROS nel rimodellamento muscolare
presenta ancora molti aspetti poco noti e affascinanti, che
possono gettare luce anche sui meccanismi patologici in cui
l’eccessiva produzione di ROS non deriva dall’aumentata attività
muscolare, ma da alterazioni nel sistema di omeostasi
mitocondriale o da altre fonti.
Nello studio delle modificazioni indotte dall’esercizio fisico
sull’apparato muscolare scheletrico è fondamentale tenere
conto delle diverse tipologie muscolari. Infatti, i vari muscoli
si differenziano per la percentuale di fibre “rosse” o “lente”,
ossia a metabolismo prevalentemente ossidativo, meno affaticabili
e, viceversa, di fibre “bianche” o “rapide”, ossia a
metabolismo prevalentemente glicolitico, in grado di esercitare
per tempi brevi una grande forza. È anche importante
tenere conto del tipo di esercizio al quale il muscolo viene
sottoposto; infatti, un esercizio di potenziamento muscolare,
“anaerobico”, come l’esercizio che si effettua in palestra
con macchine e pesi, non determina gli stessi effetti di un
esercizio aerobico, teso a potenziare la resistenza muscolare,
come per esempio la corsa o il ciclismo.
È molto utile avvalersi di modelli animali, sia perché rendono
possibile lo studio di una popolazione omogenea e facilmente
manipolabile, sia per la possibilità di prelevare, al termine
dell’allenamento, interi muscoli di varie tipologie, rendendone
possibile la comparazione e lo studio di numerosi parametri.
Ricerca corrente
95

Ricerca corrente
96
Linea di Ricerca 1
OBIETTIVI
Studio delle modificazioni indotte nel tessuto muscolare da allenamento
fisico aerobio, con particolare attenzione al confronto
tra muscolo a metabolismo prevalentemente ossidativo e
muscolo a metabolismo prevalentemente glicolitico; effetti dei
ROS sul danno muscolare e sulla sua riparazione e loro funzione
di segnalazione nell’adattamento del muscolo all’esercizio.
METODI
Gruppi di ratti maschi di ceppo Sprague-Dowley vengono
abituati al cicloergometro all’età di 8 settimane e, dopo una
settimana, iniziano un allenamento graduale che li porta ad
acquisire, nel giro di 10 settimane, una VO2 pari a circa il 60%
(allenamento moderato) o l’80% (allenamento intenso) del
massimo. Si noti che entrambi i livelli sono da considerarsi livelli
amatoriali. I controlli sono ratti sedentari di pari età. Al termine
del periodo di allenamento, i ratti sono sacrificati e dalle
zampe posteriori vengono prelevati muscolo soleo (SOL), a
metabolismo prevalentemente ossidativo e muscolo tibiale
anteriore (TA), a metabolismo prevalentemente glicolitico.
Ci siamo avvalsi di numerose tecniche, dall’istochimica alla
morfometria, dallo studio dell’espressione genica mediante
Real Time PCR, a quello dell’espressione di particolari proteine
tramite Western Blotting, da un’indagine proteomica eseguita
su gel bidimensionale (IF+SDS-PAGE), alla valutazione
delle modificazioni proteiche indotte dall’ossidazione (gruppi
carbonilici), e all’identificazione delle proteine isolate tramite
MALDI-TOF, dalla valutazione dello stato di pompe e canali
ionici, allo studio di attività enzimatiche e a quello di prodotti
di perossidazione lipidica.
RISULTATI
1. In una prima fase è stata eseguita un’approfondita analisi della
letteratura, che ha permesso la redazione di una review.
2. Analisi proteomica e stato di ossidazione dei muscoli allenati.
Questo lavoro ha utilizzato le più avanzate tecnologie
di valutazione proteomica per confrontare i muscoli SOL
e TA di ratti sedentari e di ratti sottoposti ad allenamento
intenso. Si è partiti da una separazione delle proteine mediante
Isoelectric Focusing, cui è seguita una separazione
nella seconda dimensione tramite elettroforesi in condizioni
denaturanti. Mentre un gel veniva semplicemente
colorato con Coomassie, l’altro gel, eseguito in parallelo,
veniva sottoposto a identificazione delle proteine carbonilate,
ossia modificate dall’ossidazione. Queste venivano
quantificate e si procedeva quindi a una loro identificazione
mediante spettroscopia di massa (MALDI-TOF). I risultati
principali sono i seguenti: a) identificazione di 15 proteine
la cui espressione era influenzata dall’allenamento,
in particolare, diminuzione di enzimi glicolitici espressi nel
TA; b) identificazione di 13 proteine che vengono selettivamente
ossidate in conseguenza dell’allenamento, di cui
solo 4 comuni a entrambi i tipi di muscolo; c) identificazione
di 48 proteine che sono ossidate anche a livello basale,
parzialmente diverse nei due diversi tipi di muscolo; tra di
esse, proteine da stress, in particolare HSP70, e proteine
coinvolte nel metabolismo energetico e nella contrazione
muscolare. Questo aspetto rappresenta il dato forse più
significativo, in quanto si può concludere che l’ossidazione
delle proteine può rappresentare una specie di naturale
“valvola di compensazione” alla normale produzione di
ROS. Infatti si nota che il livello di ossidazione è maggiore,
in condizioni basali, sia nel SOL che nel TA, in considerazione
del loro diverso metabolismo.
La Fig. 1 mostra le proteine carbonilate riconosciute nel
SOL (a sinistra) e nel TA (a destra) in condizioni basali.
3. Adattamento del muscolo scheletrico all’esercizio e ruolo dei
ROS. Questa parte dello studio ha esaminato SOL e TA in
ratti sedentari e sottoposti ad allenamento aerobico moderato.
I risultati più significativi vengono dalla comparazione
dei due tipi di muscolo, che hanno consentito di determinare
che entrambi sono soggetti a modificazioni, anche in seguito
ad allenamento moderato. Entrambi i muscoli sono soggetti
a lieve, ma significativa, ipertrofia, tuttavia con modalità diverse,
in quanto il muscolo SOL, già con metabolismo ossidativo
e quindi con potenti sistemi antiossidanti già presenti,
subisce un modesto incremento percentuale delle fibre ossidative
e una modesta ipertrofia delle stesse, ma il muscolo
TA va incontro a importanti modificazioni in cui i ROS stessi
inducono l’aumento dei mitocondri, lo switch metabolico, e
una vera e propria proliferazione delle cellule muscolari, con
aumento delle fibre “rosse”.

Particolarmente interessanti sono risultati i rapporti tra ROS
ed espressione di fattori di regolazione della miogenesi, fattori
che inducono la biogenesi mitocondriale, proliferazione
delle cellule satelliti e loro processi di fusione.
Varie valutazioni di marker di stress ossidativo hanno inoltre consentito
di evidenziare che l’allenamento determina l’incremento
di difese antiossidanti (enzimi antiossidanti e proteina HSP70) e,
quindi, una sostanziale resistenza all’ossidazione delle pompe e
dei canali ionici deputati al controllo del calcio e, di conseguenza,
alla regolazione della contrazione dei lipidi di membrana.
PRODOTTI SCIENTIFICI
– Abruzzo PM, di Tullio S, Marchionni C, Belia S, Fanó G,
Zampieri S, Carraro U, Kern H, Sgarbi G, Lenaz G, Marini
M. Oxidative stress in denervated rat muscle. Free Radical
Fig. 1 Le proteine carbonilate riconosciute nel SOL (a sinistra) e nel TA (a destra) in condizioni basali.
Linea di Ricerca 1
Research 2010 44(5): 563-576. ISSN: 1071-5762.
– Marini M, Veicsteinas A. The exercised skeletal muscle
– A Review. Basic Applied Myology – European Journal
Translational Myology – Myology Reviews 20 (3): 113-128,
2010 http://www.bio.unipd.it/bam/ ISSN 1120 – 9992 UNI-
PRESS.doi:10.1186/1471-2164-10-342.
– Magherini F, Abruzzo PM, Puglia M, Bini L, Gamberi T,
Esposito F, Veicsteinas A, Marini M, Fiorillo C, Modesti A.
Proteomic analysis and protein carbonylation profile in trained
and untrained rat muscles. Submitted JPR.
– Abruzzo PM, Esposito F, Marchionni C, di Tullio S, Beccafico
S, Fulle S, Veicsteinas A, Marini M. Training-induced
oxidative stress and adaptations in rat skeletal muscles. In
preparazione.
Ricerca corrente
97

Ricerca corrente
98
Linea di Ricerca 1
Relazione tra esami integrativi richiesti
ed effettive patologie riscontrate nella visita
di idoneità
Responsabile: Veicsteinas Arsenio
INTRODUZIONE
Il medico dello Sport nella sua attività certificativa e sempre
di più preventiva, si trova spesso di fronte alla necessità di approfondire
i sospetti diagnostici, prescrivendo ulteriori esami
per lo più di carattere cardiologico, per giungere a una corretta
valutazione dell’atleta sia ai fini certificativi che di follow-up.
Questo comporta un notevole dispendio di risorse. Da dati
della letteratura scientifica recente emerge la differente incidenza
e prevalenza di differenti patologie cardiovascolari
nelle diverse età prese in considerazione (maggiore prevalenza
di patologie congenite e aritmiche primitive in soggetti di
fascia di età più giovane, maggiore prevalenza della cardiopatia
ischemica e dell’ipertensione con il passare degli anni
soprattutto dopo i 40 anni). Su tutto, una particolare rilevanza
deve essere data alla corretta identificazione della cardiomiopatia
ipertrofica nelle sue diverse forme e rappresentazioni,
che rappresenta la prima causa di morte improvvisa giovanile
a livello mondiale, tenendo presente che la sua prevalenza
riguarda 1/500 soggetti nella popolazione generale.
OBIETTIVI
Obiettivo di questo studio è stato effettuare un’accurata
valutazione retrospettiva delle cartelle cliniche di atleti pervenuti
nei Centri di Medicina dello Sport della Fondazione
Don Gnocchi degli ultimi tre anni, ai quali sono stati richiesti
ulteriori esami cardiologici per approfondire un sospetto diagnostico.
Questa valutazione ha permesso di ottenere informazioni
utili per:
• effettuare una corretta prescrizione di ulteriori esami diagnostici
sulla base dei riscontri emersi in sede di visita e
confrontati con i dati ottenuti dall’analisi retrospettiva e
con la differente prevalenza delle patologie cardiovascolari
nelle diverse fasce di età (creazione di flow-chart operativi
per i medici dello sport);
• definire l’opportunità di ulteriori indagini sulla base dell’età
dell’atleta (es.: test da sforzo massimale dopo i 40 anni,
vista la maggiore incidenza di cardiopatia ischemica e di
ipertensione arteriosa, oppure ecocardiocolor Doppler a 16
anni nel sospetto di Cardiomiopatia ipertrofica suggerita da
criteri di voltaggio o anomalie della ripolarizzazione, oppure
Risonanza Magnetica Nucleare invece di ecografia nel
sospetto di cardiopatia aritmogena del ventricolo destro).
METODI
Descrizione del campione
Nel corso del 2010 sono state esaminate 4485 cartelle appartenenti
a soggetti giunti nei Centri di Medicina dello Sport
della Fondazione Don Gnocchi per richiedere certificazione
di buona salute o idoneità alla pratica di sport a livello agonistico
nel periodo compreso tra settembre 2005 e giugno
2008. I soggetti esaminati avevano un’età compresa tra i 6 e
i 78 anni ed erano in prevalenza di sesso maschile.
Per tutti i soggetti è stata raccolta un’accurata anamnesi,
peso e altezza, misura dell’acuità visiva, misurazione della
pressione arteriosa, esame spirometrico con valutazione dei
volumi polmonari statici e dinamici, tracciato elettrocardiografico
nelle 12 derivazioni standard in condizioni basali e dopo
sforzo eseguito sul gradino di Master o su cicloergometro.
È stato creato un database per raccogliere da ogni cartella
i seguenti dati: sesso, età, parametri antropometrici (peso e
altezza), fumo, anamnesi familiare e personale con particolare
riferimento a patologie dell’apparato cardiovascolare, stato
di allenamento valutato sulla base del numero di anni dediti
all’attività sportiva in questione, numero di sedute settimanali
di allenamento e durata della stesse e infine caratteristiche
del tracciato elettrocardiografico di base e dopo sforzo.
RISULTATI
Dei 4485 soggetti esaminati 211 (4,7%) sono stati sottoposti
in prima battuta a esami di approfondimento cardiologico
di secondo livello. Le cartelle relative alle visite di idoneità
agonistica erano 145 (68,7%) delle quali 137 (94,5%) B1, 5
(3,4%) A1, 1 (0,7%) B3, 2 (1,4%) agonistiche occasionali,
mentre quelle relative a visite per attività sportive non agonistiche
erano 66 (31,3%).
In particolare gli approfondimenti diagnostici di secondo livello
richiesti sono stati i seguenti:
176 ecocardiocolor Doppler (83,4%), 85 ECG Holter delle 24 h
(40,3%), 75 Test ergometrici massimali (TEM, 35,5%), 11 Mo-

nitoraggi della Pressione Arteriosa nelle 24 h (MAP, 5,2%), 21
visite cardio-aritmologiche (10%). A seguito dei risultati emersi
dagli esami di secondo livello eseguiti sono state successivamente
richieste, come esami di terzo livello, 6 scintigrafie miocardiche
(2,8%) e 3 RMN cardiache morfologiche (1,4%).
Valutando le cause degli approfondimenti diagnostici richiesti
è emerso che in 68 (32,2%) casi l’esame richiesto era motivato
da un’anamnesi positiva per anomalie cardiologiche già
note, in 9 (4,3%) casi per riferita lipotimia durante esercizio.
In 33 (15,6%) soggetti, l’approfondimento diagnostico è stato
motivato dalla rilevazione di elevati valori pressori in corso
di visita; di questi soggetti, 29 (87,9%) erano ipertesi noti già
in terapia. 46 (21,8%) richieste sono state motivate da rilievo
di soffio cardiaco sospetto all’auscultazione. La registrazione
elettrocardiografica ha permesso di rilevare 62 (29,4%)
casi di extrasistolia ectopica ventricolare o sopraventricolare,
35 (16,6%) casi di anomalie aspecifiche della ripolarizzazione
(definite come T invertite in almeno 3 derivazioni,
in particolare nelle precordiali, sopra-sottoslivellamento S-T
>2 mm), 11 (5,2%) casi di blocco atrioventricolare, 2 (0,9%)
casi di WPW già noti ai pazienti e già indagati con studio
elettrofisiologico e conseguente valutazione della pericolosità
del quadro clinico, 1 (0,5%) caso di blocco completo della
branca sinistra, 1 (0,5%) caso di QT lungo sospetto e infine
39 (18,5%) soggetti avevano criteri di voltaggio del QRS per
l’ipertrofia ventricolare sinistra (criteri di Sokolow-Lyon).
Dei 211 soggetti fermati per accertamenti di secondo livello,
13 (6,2%) sono stati sospesi in quanto non hanno presentato
anche a seguito di contatto telefonico gli esami richiesti,
di fatto questi soggetti risultano persi al follow-up annuale.
5 soggetti (2,4%) sono risultati definitivamente non idonei
dopo gli accertamenti di secondo e terzo livello, su giudizio
unanime del cardiologo e del medico dello sport.
I rimanenti 193 soggetti (91,5%) esaminati hanno riportato,
in seguito all’accertamento di secondo livello ai fini della concessione
dell’idoneità sportiva, almeno un segno meritevole
di follow-up nel tempo, sia esso il monitoraggio della pressione
arteriosa, piuttosto che la valutazione negli anni di una
valvulopatia o di un iniziale dilatazione del bulbo dell’aorta
o frequentemente un numero di battiti ectopici ventricolari
Linea di Ricerca 1
elevato con caratteristiche attuali di benignità che necessita
in ogni caso di valutazione del tempo. In particolare tutti i
soggetti esaminati per soffio all’auscultazione hanno avuto il
riscontro di insufficienza di una o più valvole di grado almeno
lieve, e molti PVM di nuova diagnosi.
PRODOTTI SCIENTIFICI
– Corrado D, Drezner J, Basso C, Pelliccia A, Thiene G. Strategies
for the prevention of suddencardiacdeathduringsports.
Eur J CardiovascPrevRehabil. 2011 Apr;18(2):197-208.
– Steinvil A, Chundadze T, Zeltser D, Rogowski O,Halkin A,
Galily Y, Perluk H, Viskin S. Mandatory electrocardiographic
screening of athletes to reduce their risk for sudden
death proven fact or wishful thinking? J Am CollCardiol.
2011 Mar 15;57(11):1291-6.
– Corrado D, Schmied C, Basso C, Borjesson M, Schiavon
M, Pelliccia A, Vanhees L, Thiene G. Risk of sports: do
we need a pre-participation screening for competitive and
leisure athletes? Eur Heart J. 2011 Apr;32(8):934-44. Epub
2011 Jan 29.
– Keightley M, Green S, Reed N, Agnihotri S, Wilkinson A,
Lobaugh N. An investigation of the effects of sports-related
concussion in youth using functional magnetic resonance
imaging and the head impact telemetry system. J
VisExp. 2011 Jan 12;(47).
– Drezner J, Corrado D. Is there evidence for recommending
electrocardiogram as part of the pre-participation examination?
Clin J Sport Med. 2011 Jan;21(1):18-24.
– Borjesson M, Dellborg M. Is there evidence for mandating
electrocardiogram as part of the pre-participation examination?
Clin J Sport Med. 2011 Jan;21(1):13-7.
– Rowland T. Prevention of sudden cardiac death in young
athletes: controversies and conundrums. Med Sport Sci.
2011;56:171-86. Epub 2010 Dec 21. Review.
– Andersen LJ, Rasmusen H, Madsen JK, Hansen PR.
[Heart screening of eliteathletes]. UgeskrLaeger. 2010
Nov 29;172(48):3339-42. Danish.
– Löllgen H, Leyk D, Hansel J. The pre-participation examination
for leisure time physical activity: general medical and
cardiological issues. DtschArzteblInt. 2010 Oct;107(42):742-
9. Review.
Ricerca corrente
99

Ricerca corrente
100
Linea di Ricerca 1
– Mayerick C, Carré F, Elefteriades J. Aortic dissection and
sport: physiologic and clinical understanding provide an
opportunity to save young lives. JCardiovascSurg (Torino).
2010 Oct;51(5):669-81. Review.
– La Gerche A, Macisaac AI, Prior DL. Should Pre-participation
Cardiovascular Screening for Competitive Athletes be
Introduced in Australia? A Timely Debate in a Sport-loving
Nation. Heart Lung Circ. 2010 Sep 10.
– Hamilton BH, Paoloni JA, Chalabi H. Epidemiology of hepatitis
B among professional male athletes in Qatar. Saudi
Med J. 2010 Jun;31(6):678-83.
– Verdier JC. [Assessment before resuming sport after 40].
Presse Med. 2010 Jun;39(6):710-2. French.
– Mukerji S, Hanna B, Duquette D, Bach J, Rosenman K.
Sudden cardiac death ofnthe young in Michigan: development
and implementation of a novel mortality review system.
J Community Health. 2010 Dec;35(6):689-97.
– Lawless CE. Return-to-play decisions in athletes with cardiac
conditions. PhysSportsmed. 2009 Apr;37(1):80-91.
– Swiatowiec A, Król W, Kuch M, Braksator W, Krysztofiak
H, Dłuzniewski M, Mamcarz A. Analysis of 12-lead
electrocardiogram in top competitive professional athletes
in the light of recent guidelines. Kardiol Pol. 2009
Oct;67(10):1095-102.
– Borjesson M, Pelliccia A. Incidence and aetiology of sudden
cardiac death in young athletes: an international perspective.
Br J Sports Med. 2009 Sep;43(9):644-8. Review.
– Leddy JJ, Izzo J. Hypertension in athletes. J ClinHypertens
(Greenwich).2009 Apr;11(4):226-33. Review.
– Springer JB, Eickhoff-Shemek JM, Zuberbuehler EJ. An
investigation of pre-activity cardiovascular screening procedures
in health/fitness facilities – part I: is adherence
with national standards decreasing? PrevCardiol. 2009
Summer;12(3):155-62.
– Passoni E, Boniello S, Veicsteinas A, Merati G. Richiesta di
esami integrativi in medicina dello sport ed idoneità agonistica:
uno studio retrospettivo. Medicina dello Sport. Sottomesso.
Relazioni a congressi:
– Merati G, Veicsteinas A. I principi fisiologici delle classi-
ficazioni delle attività sportive. XIV Congresso Nazionale
della Società Italiana di Cardiologia dello Sport (SIC Sport).
Roma, settembre 2009.
– Merati G. L’importanza dell’esercizio fisico nelle varie fasce di
età. V Convegno Girolamo Mercuriale. maggio 2011 Parma.
– Veicsteinas A, Maggioni MA, Rampichini S, Merati G. Two
Vs 3 Weekly Training Sessions In Joung Soccer Players. Effects
On Body Composition, Cardiovascular Adaptation To
Exercise And ECG. 2010 Meeting of the American College
of Sports Medicine. Baltimora (USA), giugno 2010. Poster.

Studio bicentrico sugli effetti
della stimolazione elettrica transcutanea (TENS)
della mano nel recupero motorio
dell’arto superiore nel paziente con stroke
Responsabile: Aprile Irene
INTRODUZIONE
Numerosi sono i fenomeni di neuroplasticità indotti dall’esperienza
e dall’esercizio: aumento dell’eccitabilità e del reclutamento
di neuroni in entrambi gli emisferi, sprouting dei
dendriti e rafforzamento delle connessioni sinaptiche. Questi
meccanismi sono le basi neurofisiologiche dell’efficacia
del trattamento riabilitativo nel recupero di pazienti affetti da
stroke. L’arto superiore spesso ha un recupero parziale o un
non recupero dopo stroke. Alcuni studi hanno dimostrato l’utilità
di associare a un trattamento riabilitativo standard tecniche
di stimolazione sensitiva amplificando così i già descritti fenomeni
di neuroplasticità e migliorando ulteriormente la risposta
al trattamento riabilitativo convenzionale. Ma scarsi sono i
dati della letteratura in merito all’argomento (SH Peurala, Clin
Rehab, 2002) e solo un recente studio valuta gli effetti di un
protocollo di stimolazione elettrica associato a un compito di
attenzione sulla performance dell’arto inferiore in pazienti affetti
da stroke (Ng SS, Hui-Chan CW, Stroke 2007).
OBIETTIVI
L’obiettivo di questo studio era valutare gli effetti di un input
sensitivo elettrico alla mano associato a un compito cognitivo-discriminativo
(localizzazione dello stimolo) sul recupero
sensorimotorio dell’arto superiore dopo stroke.
Le ipotesi su cui si basa lo studio sono che: a) la percezione
sensoriale e propriocettiva è necessaria per avere consapevolezza
di una parte del proprio corpo, b) l’attenzione può
favorire la propriocezione e quindi rafforzare i processi alla
base del recupero dovuto alla plasticità cerebrale e c) il recupero
della propriocezione migliora in termini qualitativi e
quantitativi dell’esecuzione di compiti motori.
METODI
Criteri di inclusione: sono stati inclusi pazienti affetti da Stroke
con compromissione dell’arto superiore e con funzioni
cognitive integre (MMSE 24) che hanno dato il loro consenso,
in età compresa tra 18 e 80 aa. Criteri di esclusione:
Linea di Ricerca 1
sono stati esclusi pazienti con storia di epilessia, con disturbi
del ritmo cardiaco, Pace Maker, con deterioramento delle
funzioni cognitive e parkinsonismo.
I pazienti arruolati sono stati randomizzati in: Gruppo A (trattamento
neuromotorio convenzionale e trattamento TENS +
compito discriminativo); Gruppo B (trattamento neuromotorio
convenzionale e trattamento TENS). Le seguenti misure
di outcome sono state utilizzate:
1. valutazione della forza della mano e delle dita mediante
dinamometro (Grasping, Pinch);
2. valutazione della forza dell’arto superiore (abduzione spalla,
flesso-estensione avambraccio e flesso-estensione
polso) mediante BMRC e Motricity Index;
3. valutazione della diverse modalità della sensibilità mediante
disk-criminator di Dellon (sensibilità discriminativi), test mono-filamenti
(sensibilità tattile), riconoscimento diverse superfici
– liscio-ruvido-morbido – (texture), tatto-movimento
(grafoestesia), valutazione cinestesi polso-dita-avambraccio
(chinestesia).
RISULTATI
Sono stati arruolati 8 pazienti nel gruppo A e 10 pazienti nel
gruppo B. I pazienti reclutati sono stati sottoposti a trattamento
TENS per una durata di 6 settimane oltre al trattamento riabilitativo
convenzionale quotidiano. Non abbiamo osservato differenze
significative tra i due gruppi nelle misure di outcome valutate
dopo il trattamento (probabilmente per la numerosità del
campione reclutato). La valutazione dell’intero campione, prima
e dopo il trattamento, ha mostrato un miglioramento significativo
di tutte le misure cliniche utilizzate nel valutare la funzione
motoria (Grasping, Pinch, Motricity Index e BMRC). Inoltre,
nell’ambito della estesa valutazione delle diverse modalità della
sensibilità, la valutazione post-trattamento ha mostrato un significativo
miglioramento prevalentemente della sensibilità tattile.
PRODOTTI SCIENTIFICI:
– Aprile I, Gilardi A, Vergili G, Erra C, Padua L. Evolution of
sensory function of the hand after conventional rehabilitation
treatment in stroke patient. Abstract presentato al
“14 th European Congress on Clinical Neurophysiology and
4 th International Conference on Transcranial Magnetic and
Direct Current Stimulation, Rome (Italy), 20-25 June 2011.
Ricerca corrente
101

Ricerca corrente
102
Linea di Ricerca 1
Tab. 1 – Comparazione pre e post-trattamento
della funzione sensitiva e significatività
statistica (Wilcoxon mached pair test)
FUNZIONE SENSITIVA
I dito II dito III dito IV dito V dito
Sensibilità tattile NS NS p

scoli bicipite brachiale, piccolo pettorale e flessori del carpo. La
vibrazione meccanica ripetitiva è stata applicata mediante una
strumentazione specifica (CRO®SYSTEM, Nemoco srl Italy)
consistente in un trasduttore elettromeccanico, uno specifico
supporto e una centralina di controllo. Il trasduttore è stato applicato
mediante una piccola sonda di diametro di 10 mm sul
ventre muscolare producendo una forza modulata in modo sinusoidale
il cui valore è compreso tra 7 e 9 N. Il gruppo B (di
controllo, 21 pazienti) è stato trattato con: 1) stesso programma
riabilitativo del gruppo A; 2) eventuale terapia farmacologica con
miorilassanti orali secondo lo schema stabilito prima dell’arruolamento
nello studio; 3) vibrazione meccanica placebo.
Tale modalità è stata ottenuta: 1) modificando i parametri di
ampiezza, frequenza e forza dello stimolo vibratorio in modo da
evitare con certezza la stimolazione dei piani profondi e quindi
delle fibre; 2) posizionando il trasduttore sulla superficie cutanea
corrispondente al muscolo target in contrazione isometrica.
I pazienti dei due gruppi sono stati valutati clinicamente
prima dell’inizio del trattamento (T0), a una settimana dalla fine
del trattamento (T1) e a un mese (T2). Nelle diverse valutazioni
sono state utilizzate le seguenti scale: Wolf Motor Function
Test (WMFT), Modified Ashworth Scale (MAS) e Visual Analogic
Scale (VAS). Come outcome primario è stata utilizzata la
variazione a un mese del punteggio medio della scala di abilità
funzionale del Wolf Motor Function Test (WMFT FAS). L’analisi
statistica è stata condotta utilizzando il pacchetto SPSS, release
12.0. Il Kolmogorov-Smirnov Probability Test è stato utilizzato
per valutare la normalità delle distribuzioni. Le variazioni
del punteggio WMFT FAS tra T0, T1 e T2 sono state misurate
mediante il Wilcoxon test for paired samples. Lo standard Pearson’s
chi-square test (2×2 table) è stato utilizzato per valutare la
distribuzione, nei due gruppi, di soggetti con un cambiamento
Tab. 1
Patients exceeding the MDC 90
Linea di Ricerca 1
rispetto al baseline nel punteggio WMFT-FAS superiore a 0.37
(Mean Detectable Change 90 ), 0.2 (Clinically Important Difference,
limite inferiore) e 0.4 (Clinically Important Difference, limite
superiore). Il Mann-Whitney U test è stato usato per confrontare
le mediane dei punteggi MAS e VAS nei due gruppi. Il livello
di significatività è stato fissato a p

Ricerca corrente
104
Linea di Ricerca 1
Pattern di attivazione muscolare
dell’arto superiore in relazione all’utilizzo
di touchpad e mouse convenzionale
nell’utilizzo di computer portatile
Responsabile: Padua Luca
INTRODUZIONE
I Ripetitive Strain Injuries (RSI) sono disturbi del sistema
muscolo-scheletrico e/o del sistema nervoso periferico,
causati o aggravati da movimenti ripetitivi in combinazione
con posture statiche prolungate e scorrette, nonché
da stress meccanici e vibrazioni. Certe situazioni di lavoro
possono indurre con facilità un sovraccarico muscoloscheletrico.
L’attivazione ripetuta e intensa di muscoli
specifi ci, durante un’attività motoria, può quindi rappresentare
un momento eziologico e patogenetico importante.
È riconosciuto che tra i soggetti particolarmente a
rischio di RSI ci sono i lavoratori addetti ai videoterminali.
I fattori di rischio per tale patologia in questi soggetti non
sono ancora ben defi niti. È possibile che il ripetersi dei
movimenti legati a posture incongrue e forze sviluppate
con contrazione contemporanea e prolungata di muscoli
antagonisti/agonisti possa rappresentare il momento etiopatogenetico
principale. Dalle conoscenze già disponibili
è chiaro come nella patologia in questione vi siano delle
implicazioni che richiedono un’accurata ed esaustiva valutazione
multidimensionale al fi ne di acquisire informazioni
utili per prevenire tale patologia. Una delle condizioni di
maggiore rischio di RSI nei lavoratori al videoterminale è
determinata dall’utilizzo di mouse o pointing device (detti
anche strumenti di puntamento).
In particolare, data la diffusione di computer portatili usati
anche sulle scrivanie, lo scopo era quello di comparare l’atto
motorio effettuato con un mouse standard (con fi lo) e con
il touchpad del notebook. L’obiettivo primario dell’UO è di
identifi care i pointing device che permettono di ottenere il
medesimo atto lavorativo di puntamento con una minore
contrazione di muscoli prossimali dell’arto superiore (spesso
responsabili di cervicalgie) e una minore co-contrazione di
muscoli antagonisti (spesso responsabile di tendinopatie e
mononeuropatie).
Fig. 1
RSI: disturbi del sistema muscolo-scheletrico
e/o del sistema nervoso periferico.
OBIETTIVI
L’obiettivo di questo studio era quello di identifi care quale
pointing device (dispositivo di puntamento) tra il classico
mouse e il touchpad, permettesse di ottenere il medesimo
atto lavorativo di “puntamento” con una minore contrazione
di muscoli prossimali dell’arto superiore (spesso responsabili
di cervicalgie) e una minore co-contrazione di muscoli
antagonisti (spesso responsabile di tendinopatie e mononeuropatie).

METODI
Sono stati valutati 40 videoterminalisti (27 femmine e 13
maschi, di età media 32,5 anni) che utilizzano quotidianamente
il personal computer circa 4 ore al giorno, con una
media di 20 ore alla settimana. In tutti i soggetti è stata
studiata mediante elettromiografia di superficie l’attività
muscolare di muscoli prossimali e semidistali dell’arto
superiore dominante (il destro per tutti i soggetti) durante
l’utilizzo di due diversi pointing device.
Durante il task motorio i soggetti erano seduti su una sedia
ergonomica tale da consentire una posizione eretta di
testa, collo e tronco. Il task motorio consisteva nell’eseguire
con i due pointing device un percorso predefinito in un
lasso di tempo di 60 secondi. Il task è stato eseguito utilizzando
il mouse V100 con filo della Logitech e il touchpad.
La valutazione elettromiografia è stata eseguita a livello dei
muscoli trapezio, deltoide, bicipite brachiale, tricipite brachiale
e muscolo estensore comune delle dita mediante
l’elettromiografo di superficie Delsys.
Valutazione dell’attivazione elettromiografica attraverso l’uso dei due pointing device
Deltoide dx (Set1[Rep1])
0.0001
0
-0.0001
14 14.5 15 15.5 16 16.5
[s]
17 17.5 18 18.5 19
0.0001
Deltoide dx (Set1[Rep2])
0
-0.0001
18 18.5 19 19.5 20 20.5
[s]
21 21.5 22 22.5 23
Fig. 1
23%
non attivo
69%
77% 31%
attivo
Linea di Ricerca 1
RISULTATI
La valutazione neurografica ha evidenziato la presenza
di sindrome del tunnel carpale a livello della mano dominante
nel 10% dei soggetti. La sindrome da intrappolamento
del nervo ulnare al gomito è stata rilevata nel 4%
dei soggetti.
A nostra conoscenza non sono riportate evidenze circa le
eventuali differenze di attivazione dei muscoli dell’arto superiore
indotte dai due sistemi di puntamento. I nostri dati
evidenziano che a parità di task motorio e di postazione
lavorativa, mouse e touchpad attivano in maniera sostanzialmente
simile i muscoli esaminati. Solo in alcune circostanze
il mouse può causare una maggiore attivazione ripetuta
del deltoide rispetto al touchpad. Per quanto riguarda il
trapezio e il muscolo estensore comune delle dita, invece,
non abbiamo rilevato differenza tra i due dispositivi che
determinano un’attivazione tonica continua di tali muscoli.
Nell’insorgenza dei RSI non intervengono invece sollecitazioni
a livello dei muscoli bicipite e tricipite brachiale
che molto raramente vengono attivati indipendentemente
dall’uso di mouse o touchpad.
PRODOTTI SCIENTIFICI
– Delisle A, Lariviere C, Plamondon A, Imbeau D. Comparison
of three computer office workstations offering forearm
support: impact on upper limb posture and muscle
activation. Ergonomics. 2006 Feb 10;49(2):139-60.
– Frederick KA, Carter PR, Littler JW. Injuries to the median
and ulnar nerves at the wrist. J. Hand Surg. 1992;17(4):
645-647.
– Goudy N, McLean L. Using myoelectric signal parameters
to distinguish between computer workers with
and without trapezius myalgia. Eur J Appl Physiol. 2006
May;97(2):196-209.
– Hagberg M, Morgenstern H, Kelsh M. Impact of occupation
of a sureillance case definition carpal tunnel syndrome.
Am. J. Public Health.
– Tecchio F, Zappasodi F, Melgari JM, Porcaro C, Cassetta
E, Rossini PM. Sensory-motor interaction in primary hand
cortical areas: a magnetoencephalography assessment.
Neuroscience. 2006 Aug 11;141(1):533-42.
Ricerca corrente
105

106