Implementazione di un prototipo di dispositivo indossabile per contrastare il tremore del Parkinson in tempo reale

Abstract

Il tremore è definito come attività ritmica oscillatoria delle parti del corpo. Una prima classificazione dei tremori patologici è costituita dal tremore a riposo e dal tremore d’azione. Il tremore a riposo è stato definito come un tremore che interessa una parte del corpo non attivata volontariamente; clinicamente viene valutato quando il paziente cerca di rilassarsi e gli viene data un’adeguata opportunità di rilassare la parte del corpo interessata.Il tremore d’azione è stato definito come un tremore che si verifica in una parte del corpo mentre si mantiene volontariamente una posizione contro la gravità (tremore posturale), durante qualsiasi movimento volontario (tremore cinetico) o durante la contrazione muscolare contro un oggetto rigido e fermo (tremore isometrico).

Sebbene quello a riposo sia una delle caratteristiche principali della malattia di Parkinson (PD), si è osservato che i pazienti , che ne sono affetti, presentano anche tremore posturale, cinetico o entrambi. Nonostante questa classificazione aiuti a determinare la causa, la presentazione delle sindromi di tremore varia; la diagnosi si basa quindi su una valutazione approfondita dell’anamnesi e dell’esame fisico del paziente e, in alcuni casi, su esami clinici che includono la tomografia a emissione di fotoni singoli (PET) e la tomografia computerizzata a emissione di fotoni singoli (SPECT).

 I tremori patologici hanno un impatto su diversi ambiti della qualità della vita, da quello fisico a quello psicosociale, in un’ampia percentuale di pazienti.

La terapia farmacologica viene utilizzata principalmente per risolvere i sintomi motori; la levodopa (comunemente chiamata L-Dopa) è il trattamento principale per la malattia di Parkinson. Un altro approccio è l’uso della stimolazione elettrica impiantabile; questa pratica chirurgica si basa sulla stimolazione elettrica ad alta frequenza (100-200 Hz) in aree specifiche. Entrambi gli approcci presentano alcuni limiti; per quanto riguarda l’approccio chirurgico, una limitazione notevole è rappresentata dai criteri di selezione dei soggetti da sottoporre a intervento chirurgico, ed è necessario attenersi a rigidi criteri internazionali. Per quanto riguarda la terapia farmacologica, l’elevata concentrazione di levodopa è responsabile di vari effetti collaterali, soprattutto nella malattia avanzata, come nausea, vomito e ipotensione ortostatica.

Queste limitazioni hanno spinto gli esperti a studiare nuovi metodi diagnostici e terapeutici per sopprimere efficacemente il tremore. Da una revisione della letteratura scientifica e dei brevetti sono emerse alcune soluzioni cliniche che permettono di rilevare il tremore, come ad esempio diversi sensori e l’elettromiografia. Tuttavia, è necessario un monitoraggio continuo e l’analisi di una grande quantità di dati in diversi momenti della giornata. L’uso della tecnologia indossabile può quindi può contribuire a superare queste barriere, poiché questi dispositivi possono non solo monitorare i sintomi motori, ma possono anche aiutare a migliorarli. A questo scopo, diversi studi hanno dimostrato gli effetti positivi del feedback esterno (cioè della stimolazione elettrica) per la soppressione del tremore.

Inoltre, i possibili algoritmi di rilevamento sono per lo più basati sull’analisi spettrale, che consente di distinguere i movimenti volontari (a bassa frequenza) dai tremori patologici che possono essere correlati a uno spettro limitato. I dati in ingresso agli algoritmi sono per lo più dati provenienti da sensori inerziali o da segnali elettromiografici. In questo scenario, l’obiettivo di questo lavoro è progettare da zero un prototipo di dispositivo indossabile con una stimolazione ad anello chiuso. Il prototipo si basa sull’uso di un microcontrollore e di un sensore IMU a 9 assi incluso in una scheda Arduino disponibile in commercio, mentre per la parte di stimolazione è stato necessario progettare un circuito ad-hoc che permettesse di regolare i parametri degli stimoli bifasici erogati ai pazienti con elettrodi di superficie. Si è curata sia la parte hardware del dispositivo che lo sviluppo del firmware.

Più in dettaglio, l’algoritmo è composto da due parti: la prima è dedicata all’acquisizione dei dati a una frequenza di campionamento predefinita, alla loro elaborazione e al rilevamento delle finestre di tremore come risultato della valutazione dell’energia intorno al picco di frequenza dello spettro. La seconda parte consiste nell’attivare la stimolazione per un determinato periodo, regolato da un controllore pid per garantire un controllo automatico di retroazione. L’ampiezza degli stimoli in uscita viene definita durante la calibrazione, poiché ogni paziente ha una soglia di percezione diversa. Il lavoro si è poi concentrato sulla progettazione e sulla realizzazione del case che racchiude il circuito in modo da proteggerlo e renderlo indossabile al polso. In questa fase si è cercato di garantire che il dispositivo fosse stabile e adattabile a polsi di diverse dimensioni.

.

Obiettivo tesi

L’obiettivo di questo lavoro è progettare da zero un prototipo di dispositivo indossabile, per contrastare i tremori patologici in tempo reale, con una stimolazione elettrica superficiale di tipo closed-loop.

Metodologia di ricerca

Studio di letteratura e brevetti

Conclusioni

Il dispositivo, in forma prototipale, fornisce una stimolazione elettrica ad anello chiuso, in quanto viene somministrata solo quando vengono rilevati tremore patologico. Gli algoritmi di rilevazione e i parametri di stimolazione necessari per per sopprimere il tremore sono stati ricavati da uno studio della letteratura. I parametri di stimolazione sono parametri di stimolazione sono adattati al paziente specifico, data la variabilità dei suoi tremori. In particolare, il tempo di stimolazione è regolato da un controllore pid, mentre l’ampiezza degli stimoli bifasici è regolata da un controllore pid, mentre l’ampiezza stimoli bifasici è determinata durante la fase di calibrazione. La parte hardware è stata progettata per consentire la regolazione degli stimoli. In conclusione, questi risultati aprono la strada a un possibile utilizzo di questo dispositivo medico con conseguente miglioramento della qualità di vita dei pazienti, sostenendoli nei movimenti di routine quotidiana che altrimenti sarebbero difficili per loro, limitando la loro autonomia e indipendenza.

Sviluppi futuri

Gli sviluppi futuri prevedono innanzitutto una miniaturizzazione dell’hardware, poiché attualmente i componenti sono montati su una millefori. In seguito, è necessario perfezionare l’algoritmo di controllo, che potrebbe essere implementato attraverso le tecniche di sliding-mode, ossia un metodo di controllo non lineare. Un altro importante sviluppo futuro è quello di aggiungere il blocco di fase alla stimolazione ad anello chiuso. Considerando il tremore come un movimento oscillatorio, può essere correlato a un segnale sinusoidale; il punto di inizio della stimolazione deve coincidere con l’origine del segnale sinusoidale, cioè quello con fase nulla. Inoltre, una fase di test in vivo è stata progettata per essere utilizzata in modo da poter essere utilizzata per la stimolazione del tremore. Inoltre, è necessaria una fase di test in vivo, poiché il dispositivo è stato testato indirettamente.