Come funzionano le protesi

In seguito all’amputazione o alla perdita di un arto, le protesi permettono di riacquistare alcune delle funzioni perse. Molte protesi aiutano le persone amputate a ritrovare un senso di indipendenza e libertà. In origine, le protesi erano piuttosto semplici e assistevano solo nelle funzioni di base. Le protesi moderne sono molto più complesse e permettono di compiere molte più azioni simili a quelle dell’arto biologico. In futuro, i protesisti sperano di creare protesi che funzionino in modo identico o addirittura migliore.

Le prime protesi

La stragrande maggioranza delle prime protesi era passiva; erano completamente immobili ed essenzialmente cosmetiche. La maggior parte delle prime protesi era tenuta in posizione con cinghie di cuoio. I racconti del generale romano Marco Sergio descrivono l’uso di una mano di ferro che poteva sostenere il suo scudo in combattimento. I patologi hanno trovato diverse protesi egiziane in legno e cuoio. Durante il Medioevo, i cavalieri privi di arti potevano utilizzare protesi speciali per tenere scudi, lance e spade.

protesi del XX secolo

Prima del XX secolo, la maggior parte delle invasature protesiche erano quadrate e avevano uno spazio limitato. Questo presentava diversi problemi, in particolare il dolore e la mancanza di comfort. Negli anni ’80, John Sabolich creò l’invasatura Contoured Adducted Trochanteric-Controlled Alignment Method o CAT-CAM per le protesi di gamba. A differenza delle protesi precedenti, le invasature CAT-CAM avevano forme speciali che potevano contenere il tessuto muscolare in modo più confortevole e arrivavano fino al bacino. Inoltre, erano dotate di un blocco osseo che manteneva il femore in posizione per determinati movimenti, consentendo una distribuzione più uniforme del peso corporeo e un sostegno migliore.

Come si agganciano le protesi moderne

La maggior parte dei metodi di fissaggio delle protesi richiede una fodera che si adatta all’arto residuo. In questo modo si ottiene una calzata più confortevole e si evitano problemi come la sudorazione. Una volta che la fodera è stata applicata all’arto, sono possibili alcuni metodi di fissaggio:

• La sospensione anatomica si basa sui contorni delle aree ossee dell’arto residuo, a cui la protesi può attaccarsi.
• La sospensione per aspirazione si basa su protesi dotate di una valvola che espelle l’aria dalle invasature, creando una pressione negativa tra l’invasatura e l’arto.
• La sospensione a vuoto aspira l’aria dall’invasatura per creare una pressione negativa.
• I sistemi di sospensione a navetta si basano su un perno sul fondo della fodera che si attacca alla protesi.
• Un sistema a cordicella si basa su una fodera con una corda intrecciata o una cinghia speciale che può passare attraverso un meccanismo di bloccaggio sulla protesi.

Protesi alimentate dal corpo

Una delle maggiori innovazioni nel settore è stata l’avvento delle protesi che si muovono utilizzando i muscoli esistenti. Molti utenti di protesi di arto superiore scelgono imbracature per il corpo che consentono loro di muovere il gomito, la mano o il gancio della protesi con movimenti di base. In sostanza, un cavo collega la protesi a un’imbracatura che si lega alle spalle e alla schiena. La manipolazione del corpo tira il cavo e provoca determinati movimenti. Un’alzata di spalle può provocare la contrazione della mano, consentendo alla persona di afferrare e trattenere gli oggetti.

Caratteristiche aggiuntive

I protesisti, o persone che creano protesi, cercano costantemente di risolvere i problemi che ostacolano i loro clienti. Ad esempio, molte persone con protesi di gambe e piedi sperimentano affaticamento, andatura asimmetrica e velocità di deambulazione limitata. Grazie a molle e motori, i protesisti possono creare caviglie protesiche con livelli di rigidità variabili per risolvere questi problemi. Altri problemi che la ricerca sta cercando di risolvere sono i problemi di stabilità su terreni irregolari. Utilizzando un motore per ruotare la caviglia e il piede, alcune protesi possono adattarsi automaticamente a terreni irregolari.

stampa 3D

Nella maggior parte dei casi, le protesi complesse sono costose. Tuttavia, con l’avvento della stampa 3D, alcune protesi alimentate dal corpo richiedono meno di 150 dollari di materiali. Le stampanti creano ogni pezzo singolarmente e le protesi devono essere assemblate. Grazie a corde tendinee flessibili in gomma, la protesi diventa interamente alimentata dal corpo. Le protesi stampate in 3D più diffuse includono mani che utilizzano i movimenti del polso per chiudersi. Esistono opzioni per protesi stampate in 3D che si collegano a imbracature per il corpo. Le protesi stampate sono ideali per i bambini, poiché sono altamente personalizzabili e leggere. Inoltre, poiché i bambini crescono rapidamente, spesso necessitano di continui e costosi adattamenti ai loro nuovi arti. con le stampanti 3D questo è semplice: basta stampare un altro pezzo.

Protesi motorizzate

Sebbene le protesi alimentate dal corpo siano facili da usare, mancano di un certo livello di complessità. Le protesi più recenti utilizzano componenti motorizzati per un maggior numero di azioni e un più alto livello di controllo, ma sono molto più difficili da usare per le persone. Un sensore elettrico si trova sopra alcuni muscoli dell’arto residuo. Il sensore rileva il movimento muscolare e indica alla protesi di eseguire un’azione. Questo è simile a come avvengono le azioni biologiche. Per rendere queste protesi più intuitive, i ricercatori stanno pensando di collegare gli elettrodi direttamente ai nervi.

Feedback bidirezionale

Tra gli inconvenienti delle protesi, uno dei più complessi è la mancanza di feedback. Quando una mano biologica tocca un oggetto, il corpo riceve una serie di input. La mano può rilevare la consistenza, la temperatura, le dimensioni e altri attributi dell’oggetto. Inoltre, è in grado di percepire la pressione necessaria per prenderlo. Le protesi non possono fare queste cose, quindi i ricercatori usano piccoli trucchi per simulare questi segnali. Un metodo che consente di ottenere questo risultato è l’utilizzo di piccole parti meccaniche per comprimere la parte superiore del braccio mentre la mano si contrae. Un altro metodo utilizza le vibrazioni.

Esoscheletri

Quando la maggior parte delle persone pensa alle protesi, pensa alla sostituzione completa di un arto. Tuttavia, con il miglioramento della tecnologia, anche le persone senza amputazioni possono beneficiare delle protesi. Alcuni ingegneri biomedici stanno creando esoscheletri per persone con paralisi alle gambe. Molti di questi individui possono muoversi leggermente, ma non abbastanza per sostenere il proprio peso o camminare. I ricercatori collegano gli elettrodi alla corteccia, al midollo spinale, ai nervi periferici o alle terminazioni nervose dei muscoli. Questi elettrodi possono percepire l’intento di un movimento e inviare un segnale all’esoscheletro. La tuta si affida quindi a un complesso sistema di sospensioni per muovere l’esoscheletro secondo le intenzioni della persona.

Il futuro delle protesi

Il principale difetto delle attuali protesi motorizzate è la loro imprecisione. Ogni protesi ha una curva di apprendimento perché le azioni per eseguire un movimento differiscono da quelle richieste da un arto biologico. Con il progredire delle protesi, i ricercatori sperano di ricevere accuratamente i segnali dal cervello attraverso gli elettrodi per creare movimenti fluidi e intuitivi. I ricercatori hanno impiantato dei chip per computer nel cervello di una donna tetraplegica di 52 anni. Questi chip contengono 96 microelettrodi e si trovano vicino ai neuroni che controllano il braccio e la mano destra. Se la paziente pensa di muovere il braccio, i chip inviano segnali a una mano robotica. Grazie a questa incredibile procedura, la donna è stata in grado di stringere la mano agli altri e di mangiare una barretta di cioccolato.