MiniTouch è una nanotecnologia mininvasiva facilmente collocabile sulla protesi di mano che ripristina una percezione termica, per fornire un’esperienza ancora più naturale per l’utente finale.
Ideata e sviluppata da un team di ricercatori nato dalla collaborazione tra la Scuola Sant’Anna di Pisa, l’EPFL di Losanna e il Centro Protesi INAIL di Vigorso di Budrio ,ha cercato di colmare, MiniTouch è una soluzione all’avanguardia nell’ambito della progettazione biomedica.
La sindrome della mano fantasma
La sindrome della mano fantasma (phantom limb syndrome) è una condizione patologica riportata nell’80-100% dei pazienti amputati, per la quale il soggetto avverte la persistenza dell’arto dopo la sua amputazione e ne percepisce delle sensazioni tattili e di movimento proiettate, più o meno dolorose. Lo studio di tali percezioni sensoriali ha permesso non solo una movimentazione sempre più efficace dei dispositivi protesici ma anche il recupero del feedback tattile tramite gli stessi.
Feedback sensoriali negli amputati di arto superiore
Negli ultimi decenni lo sviluppo di dispositivi protesici ha dimostrato che è possibile ripristinare la sensazione tattile e discernere dunque la forma, la rigidità e la trama di un oggetto, oltre a garantire una capacità di controllo maggiore nella movimentazione. A partire da Smarthand (la mano bionica realizzata con motori e sensori in grado di attivarsi grazie a movimenti di pressione) sino alla progettazione di una protesi bidirezionale (sfruttante invece un sistema di feedback collegato alle terminazioni nervose del moncone), l’esperienza dell’utente con amputazioni di arto superiore è stata, negli anni, nettamente migliorata.
Le tecnologie sopra citate non consentono ancora, tuttavia, il ripristino delle sensazioni termiche. A questo hanno lavorato i ricercatori di tre istituti (Scuola Sant’Anna di Pisa, EPFL, Centro Protesi INAIL), a partire dallo studio di mappe termiche della mano fantasma. L’idea di poter recuperare, con la protesi, il feedback termico e la capacità di distinguere la natura dell’oggetto a contatto ha riscosso da subito un largo interesse: il team è riuscito a reclutare, in meno di due anni, 27 volontari – adulti da 24 a 65 anni (23 uomini e 4 donne) – amputati agli arti superiori per interventi chirurgici verificatisi almeno un anno prima.
Mappe della mano fantasma
Oltre il 70% dei pazienti che subiscono un intervento di amputazione di arto superiore, sperimenta non solo il dolore fantasma (i.e., percezione reale di un dolore localizzato in corrispondenza dell’arto amputato) a cui si associa il fenomeno del telescoping (i.e., graduale avvicinamento dell’arto fantasma sino a percepirlo attaccato al moncone o all’interno dell’arto residuo). Tuttavia la maggior parte di essi prova anche sensazioni riferite, ovvero le “sensazioni dalle dita fantasma”. Infatti la stimolazione di aree specifiche localizzate sull’arto residuo (le stesse che individuano le così dette mappe della mano fantasma) provoca nel paziente un feedback sensoriale, di natura tattile e/o termico, percepito esattamente nella mano assente, come se fosse questa ad essere sollecitata.
Com’è fatto MiniTouch
Il team dei ricercatori ha iniziato lo studio esattamente dalla verifica di presenza di tali mappe tattili: è stato ottenuto un feedback positivo in 26 dei 27 volontari grazie alla stimolazione di alcune zone del braccio residuo tramite il lato rotondo di una penna (Figura 1).
Il principio a valle delle sensazioni riferite è la presenza di terminazioni del sistema nervoso periferico nell’avambraccio, dunque nel moncherino, che possono rispondere ancora alle stimolazioni esterne meccaniche o elettriche. Con l’amputazione, i principali nervi dell’arto residuo vengono recisi e si ha una riorganizzazione cerebrale degli stessi. Bisogna anche tener conto della diversità nelle risposte ai vari stimoli in base alla tipologia di mappatura (se molto fine oppure molto semplice, se non addirittura nulla), alla lunghezza dell’arto residuo e alla sua qualità della pelle (una pelle atrofica e cicatrici sottocutanee potrebbero essere indicativi di una innervazione scarsa e/o danneggiata e dunque di mappe tattili ridotte se non assenti).
Le mappe termiche della mano fantasma
A seguito della verifica delle mappe tattili, i ricercatori hanno indagato anche l’esistenza di possibili mappe termiche, tramite due principali metodologie:
- in presenza di una stimolazione tattile – mediante un dispositivo termico personalizzato detto MetaTouch (Figura 2), attraverso cui i 27 partecipanti sono stati sottoposti a tre stimoli termici (25°, 32° e 37 °C) applicati per ogni punto dell’arto residuo;
- mediante agente di raffreddamento chimico (crema al mentolo) su uno dei punti fantasma termici di 5 partecipanti (dunque senza stimolazione tattile).
Nel primo caso, ai pazienti è stata chiesta una valutazione della percezione termica in una scala che va da “molto freddo” a “molto caldo”, descrivendo anche la distribuzione della proiezione sensoriale sulla mano fantasma (Figura 3). Il feedback è stato decisamente positivo, perché in 15 dei 27 partecipanti sono state individuate mappe termiche (i.e., aree dell’arto residuo che stimolate hanno garantito all’amputato proprio quelle sensazioni termiche proiettate nella mano fantasma) e distinte proiezioni somatotopiche nella mano fantasma.
A partire da questa prima metodica, sono stati scelti come punti fantasma termici, che potrebbero essere usati per le neuroprotesi, quelli dove la percezione degli stimoli freddi, neutri e caldi era risultata coerente (per cui i partecipanti hanno provato sensazioni uniformi per tutti e tra gli stimoli) e quelli laddove le sensazioni proiettate si sovrapponevano per tutte e tre le tipologie di stimolo (posizioni dette coerenti).
Nel secondo caso, quando sollecitati tramite crema al mentolo, soltanto 2 di essi hanno confermato delle sensazioni termiche, però le proiezioni sulla mano fantasma hanno interessato regioni della mano fantasma simili a quelle ottenute tramite stimolazione del dispositivo MetaTouch (Figura 4).
Sebbene le percezioni termiche non siano state naturalmente uniformi i tutti i punti testati e in ogni partecipante, i ricercatori si sono concentrati sugli stimoli freddi, neutri e caldi e dove le proiezioni si sovrapponevano sulla mano fantasma (i.e., posizioni coerenti).
Similitudine fisiologica delle sensazioni termiche fantasma
I ricercatori hanno ulteriormente studiato il feedback termico fantasma chiedendosi se effettivamente fosse simile alle sensazioni termiche di una mano biologica. A tal fine, è stato eseguito in primis un test di controllo, su due punti speculari dell’addome di 8 soggetti non amputati, per verificare una possibile similitudine tra le sensazioni mediate dal MetaTouch a contatto con tre materiali (rame, plastica, vetro) e quelle derivate invece dal contatto diretto con questi ultimi. Dopodiché lo studio è proseguito su 4 partecipanti amputati (aventi almeno un punto fantasma termico sul braccio residuo) per i quali il team di ricercatori si è focalizzato su due punti speculari: uno appartenente alla parte del corpo intatta, l’altro appartenente alla parte fantasma (Figura 5).
In quest’ultima fase, le sensazioni termiche mediate dal dispositivo MetaTouch hanno riportato un’alta percentuale di similitudine a quella ottenuta dal contatto diretto del materiale sull’arto intatto (si parla di una percentuale complessiva pari a 83,3%, simile al tasso di 76,4% ottenuto nei soggetti non amputati). In entrambe le fasi di questa analisi, ponendo a contatto i punti speculari con materiali differenti (ad esempio, stimoli di natura plastica mediati dal MetaTouch su un lato e rame materiale sull’altro), i tassi di corrispondenza dei due stimoli erano significativamente bassi (39,17% in media per i soggetti amputati, simile al 30,1% in media ottenuto nei soggetti non amputati): si comprende bene come MetaTouch possa arrivare a garantire una similitudine fisiologica delle percezioni termiche anche nei soggetti amputati.
Il ripristino mininvasivo del feedback termico
Assicurare tutte le percezioni previste da una mano biologica è importante tanto per discernere l’oggetto con cui si entra in contatto, la sua tipologia e qualità (se è metallo, plastica, vetro, se troppo caldo o troppo freddo dunque se più o meno pericoloso), quanto per ripristinare l’aspetto sociale implicato nelle percezioni termiche: i pazienti possono percepire maggiormente la protesi come parte del proprio organismo, arrivando così a ripristinare pienamente il contatto umano percependo il calore anche da una stretta di mano (Figura 6)
Pertanto, lo studio dei ricercatori si è orientato verso la realizzazione di una nanotecnologia indossabile e di natura mininvasiva, che potesse fornire un feedback termico stabile nel tempo agli amputati di protesi di arto superiore. MiniTouch (Figura 7) comprende:
- due Peltier (i.e., dispositivo termoelettrico che assicura una cessione o assorbimento di calore, attraverso le sue due superfici, in base alla direzione di corrente che lo attraversa) – che ricoprono un’area di stimolazione pari a 15mm per 15mm;
- un sensore di pelle termica attiva (ATS) – un dispositivo flessibile progettato per l’allocazione sulla protesi e capace di rilevare la temperatura di contatto, mantenendo la temperatura stabile a 32°C imitando così la risposta termica della pelle.
Il feedback della temperatura è essenziale per trasmettere informazioni che vanno oltre il tatto. Siamo esseri sociali e il calore è una parte importante di questo processo. Per la prima volta, dopo molti anni di ricerca, prevediamo la possibilità di ripristinare tutte le ricche sensazioni che la mano naturale può prevedere.
Silvestro Micera, Autore dello studio
I primi risultati
Le performance del dispositivo sono state testate in due istanze separate su nove amputati di cui era stata precedentemente individuata l’esistenza di mappe termiche:
- Il primo test prevedeva il posizionamento del MiniTouch su uno dei punti fantasma e quella del sensore ATS a contatto con un bicchiere d’acqua a diverse temperature (15, 25, 40 °C). Dunque, veniva chiesto ai partecipanti la segnalazione continua delle proprie sensazioni termiche mediante un’interfaccia grafica;
- Il secondo test invece prevedeva il posizionamento randomico del sensore ATS a contatto con tre materiali differenti (rame, plastica e vetro) chiedendo poi ai partecipanti il riconoscimento di questo del materiale.
I partecipanti hanno abbattuto le previsioni statistiche grazie a dei tassi di rilevamento, in media, significativamente più alti di quanto atteso. È importante osservare, inoltre, che è stata misurata una precisione di rilevamento simile a quella osservata, sui medesimi partecipanti, quando essi toccavano gli oggetti con la mano biologica: le differenze tra le percezioni termiche fornite da quest’ultima e quelle assicurate da MiniTouch non presentavano, dunque, alcuna differenza significativa.
Il feedback della temperatura è una sensazione piacevole perché si sente l’arto fantasma completamente, così completamente che non sembra più un arto fantasma […] questa sensazione si irradia nella mano, senti finalmente una temperatura in una mano che non c’è più. È molto intensa.
Francesca, Paziente Centro Protesi Inail
Conclusioni
Una volta individuata la distribuzione delle mappe termiche, è possibile sfruttare la sollecitazione delle stesse per ripristinare anche la percezione termica nei soggetti con amputazioni di arto superiore. Questo, oltre alle sensazioni del tatto e del controllo della posizione assicurati grazie a studi precedenti, fa sì che l’esperienza protesica dei pazienti con amputazioni raggiunga non solo una verosimile incarnazione del dispositivo – e dunque una migliore accettazione nei confronti dello stesso – ma anche una sensorialità completa e naturale sia nella sfera percettiva che quella sociale.
Il prossimo step del team dei ricercatori è proprio quello di mettere a punto un’integrazione della sensibilità termica in un dispositivo protesico bionico che sia progettato in maniera personalizzata per il singolo paziente. La principale difficoltà è da ricercare non solo nella distribuzione delle mappe termiche, che può essere differente da soggetto a soggetto, ma anche nell’esistenza delle stesse. Sono necessarie dunque ulteriori applicazioni da affrontare ma, sebbene tali difficoltà, i ricercatori hanno dimostrato comunque entusiasmo per questa scoperta e determinazione per una sua implementazione futura.
Fonti e approfondimenti
- Science – Restoration of natural thermal sensation in upper-limb amputees;
- EPFL – Amputees feel warmth in their missing hand;
- Scuola Sant’Anna di Pisa – Le persone amputate sentono il calore della mano mancante;
- INAIL – Ripristino della naturale sensazione termica nelle persone con amputazione agli arti superiori;
- WIRED – È stato creato un dispositivo per tornare a sentire il calore in un arto fantasma;
