Sensori di pressione su base tessile: un nuovo modo di vivere la protesi

Oggi il modo di vivere la disabilità dovuta a un’amputazione è indubbiamente migliorato, grazie alla possibilità di recuperare – gradualmente e parzialmente – una notevole indipendenza, sfruttando le protesi e gli ausili a disposizione. Eppure, nonostante i grandi progressi in questo campo, molte delle persone amputate provano spesso fastidio e sofferenza nell’indossare dei dispositivi protesici e fanno fatica a renderli parte della propria quotidianità. Se consideriamo una protesi d’arto inferiore, infatti, il moncone è spesso esposto ad un ambiente scomodo, nel quale la continua pressione può portare a gravi conseguenze, tra cui ulcere o addirittura una profonda – e nei casi più gravi letale – lesione nei tessuti. Per questa ragione, circa il 25% delle persone amputate sceglie di ridurre drasticamente l’utilizzo delle protesi, rinunciando quindi anche a un grado di autonomia maggiore nella vita di tutti i giorni.

Il monitoraggio della distribuzione di pressione all’interfaccia tra la protesi e l’arto amputato è essenziale per garantire all’utente un corretto utilizzo del dispositivo. Spesso tali sistemi di monitoraggio si dimostrano ingombranti, pesanti, scomodi e rischiano di influenzare in modo negativo l’adattamento delle protesi alle persone amputate.

Il problema della distribuzione della pressione della protesi

Uno dei principali parametri da monitorare nell’uso di questi dispositivi sia la corretta distribuzione della pressione quando una persona indossa la sua protesi. Uno degli ostacoli più complessi nello sviluppo di una migliore tecnologia, in questo senso, è la mancanza di un comodo sistema sensoriale interno per monitorare il cosiddetto inner socket environment – (ISE), cioè la regione di contatto tra il moncone e la presa protesica. Da un punto di vista clinico, l’analisi di questo parametro prevede un sistema di sensori estensimetrici rigidi, disponibili in commercio, che risultano però ingombranti, pesanti, fastidiosi e anche spazialmente limitati.

Per tutte queste ragioni, questi sensori non consentono di apportare margini di miglioramento in termini di flessibilità e traspirabilità, necessari per un comodo uso della protesi a lungo termine. I ricercatori della North Carolina State University – NSC hanno progettato un sistema di monitoraggio della pressione sfruttando dei sensori a base tessile, il Seam-Line Sensors – SLS.

Come si presenta il dispositivo?

Complessivamente, il sistema è costituito da fili conduttivi e isolanti, cuciti sul substrato tessile, che costituiscono la rete di sensori capacitivi. Le linee di cucitura rappresentano gli elettrodi, mentre il substrato tessile agisce da dielettrico. I vantaggi che questo sistema sensoriale offre sono diversi, primi tra tutti la loro natura flessibile e traspirante, un minor costo di fabbricazione e la raccolta dati ad alta velocità.

Il sistema di rilevamento è composto da tre parti: un array di sensori, una scheda per la conversione da analogico a digitale miniaturizzata e una raccolta dati da quattro array di sensori – ognuno dei quali costituito da nove sensori capacitivi – che rappresentano gli elementi di rilevamento tessili, anche detti “texels”. Inoltre, il sistema prevede una trasmissione dei dati wireless e una possibile raccolta dati integrata su una scheda micro-SD.

La validazione del dispositivo

In un primo momento, i ricercatori hanno verificato se il loro sistema fosse in grado di rilevare cambiamenti di pressione una volta posto su un arto artificiale, sottoposto a diversi angoli di rotazione. Completata questa fase preliminare, gli studiosi hanno valutato l’efficacia del dispositivo applicando il sistema a due esperimenti: il primo considerando una persona normodotata – che ha usato un adattatore all’altezza del ginocchio – e il secondo considerando una persona con amputazione transtibiale bilaterale.

Il lavoro sul dispositivo è stato svolto in collaborazione tra ingegneri tessili, elettrici, informatici e biomedici. In più, gli esperimenti condotti sui pazienti normodotati ed amputati sono stati seguiti attentamente da un team di ricercatori di ingegneria della riabilitazione, presso il Dipartimento congiunto di Ingegneria biomedica presso la University of North Carolina at Chapel Hill. In entrambi i casi è stato chiesto ai partecipanti sia di spostare il proprio peso corporeo da una gamba all’altra, sia di camminare sul tapis roulant.

Sensori integrati per non causare disagio all’utente

A questo punto, i ricercatori hanno verificato se il loro sistema fosse in grado di rilevare effettivi cambiamenti di pressione durante queste prove, scoprendo che in effetti tale sistema sensoriale risultava durevole e riusciva a monitorare in maniera precisa e affidabile le variazioni di pressione nella presa protesica in tempo reale. Infatti, poiché le fibre tessili sono state collegate a un circuito elettrico, dai dati raccolti risultavano circa 100 punti di misurazione della pressione durante gli esercizi. “Abbiamo progettato sensori che possono essere integrati nei tessuti in un modo che non causino alcun disagio aggiuntivo per l’utente e potrebbero essere indossati più regolarmente”, afferma Jordan Tabor, uno degli autori dello studio, nonché studente laureato presso l’NC State College of Textiles.

Auspicabilmente, in un futuro non troppo lontano, assisteremo all’integrazione di questo approccio direttamente all’interno delle protesi. Per coloro che convivono con questa disabilità sarà un altro passo verso una sempre migliore qualità della vita.

Articolo a cura di Nicole Rinaldi