Linea di Ricerca 1

Linea di Ricerca 1
Tecnologie biomediche per la diagnosi e il recupero della funzione
Responsabile Scientifico: Prof. Paolo Mocarelli
Domotica per la disabilità: Ambient Assisted
Living per l’autonomia e la sicurezza negli
ambienti di vita
Responsabile: Gower Valerio
BACKGROUND
Nel corso degli ultimi anni la domanda nelle potenzialità offerte dalle tecnologie per l’automazione dell’ambiente domestico ha visto un rapido aumento. L’IRCCS S. Maria Nascente
ha allestito nella propria sede 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. L’obiettivo del presente progetto è
quello di sviluppare, attraverso ricerche e sperimentazioni
condotte nell’ambito di tale servizio, strumenti operativi per
poter fornire una risposta concreta a questa crescente esigenza di autonomia e sicurezza nell’ambito domestico.
Ricerca corrente
Obiettivi
48
La ricerca ha per oggetto lo sviluppo e la sperimentazione di
dispositivi, metodologie e strumenti per l’automazione “intelligente” dell’ambiente di vita delle persone anziane fragili
e delle persone 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, l’obiettivo è quello di 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
caregivers in genere.
Metodi
Nel complesso il progetto si è articolato in tre diverse linee
di lavoro: la prima ha riguardato lo studio e lo sviluppo di
sistemi che facilitino la configurazione e personalizzazione
degli strumenti e delle tecnologie assistive per il controllo
ambientale, per il monitoraggio e per la sicurezza in ambito
domestico. La seconda linea ha riguardato lo studio dei dati
raccolti durante le attività clinico-terapeutiche svolte presso
il servizio DAT, da cui ricavare informazioni sull’efficacia sia
dei protocolli clinici di intervento che delle tecnologie per
l’automazione ambientale e le attività di vita quotidiana in
genere. La terza linea infine ha riguardato la validazione sperimentale delle tecnologie per l’automazione, la sicurezza e
il monitoraggio, implementate presso la casa domotica del
servizio DAT, attraverso un campione dell’utenza. In questa
fase si sono svolte sperimentazioni volte sia a individuare
protocolli di lavoro che permettano di migliorare il livello di
autonomia e sicurezza nell’ambito domestico, che 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. Le attività svoltesi nel 2012 si sono concentrate sulla
prima e sulla terza linea di lavoro.
RELAZIONE ATTIVITÀ
Nel corso del 2012 le attività svolte in questo ambito di ricerca hanno riguardato principalmente 3 aspetti:
• l’installazione e la messa in opera presso la casa domotica del servizio DAT, di nuovi sensori per il monitoraggio
degli ambienti e la taratura di quelli già precedentemente
installati;
• il perfezionamento del protocollo di sperimentazione delle
tecnologie installate;

Prodotti scientifici
Il principale prodotto della ricerca è il sistema di monitoraggio installato presso la casa domotica del servizio DAT. Il
prototipo, attraverso una serie di sensori distribuiti nell’ambiente o indossati dall’utente, rileva le attività che si svolgono all’interno della casa e segnala agli operatori situazioni di
emergenza per prevenire potenziali pericoli per le persone
assistite.
Publicazioni in atti di convegni nazionali con peer review:
–– Gower V (2012): A-cube, un sistema di monitoraggio per
il supporto degli operatori delle residenze sanitarie assistenziali. In De Munari I, Matrella G, Ciampolini P (eds):
AAL in Italia Primo Libro bianco. Proceedings del IV Forum
Italiano sull’Ambient Assisted Living, Parma, 17-19 ottobre 2012.
Comunicazioni a congressi nazionali e internazionali:
–– Gower V. Vision del progetto Acube e live demo del prototipo installato presso la casa domotica – Relazione invitata
alla terza edizione del “Forum della non autosufficienza”,
Bologna 11 novembre 2011.
–– Andrich R. La domotica al servizio della geriatria – Relazione invitata al congresso “Domotica e Geriatria”. Roma,
Policlinico “A. Gemelli”, 8 marzo, 2012.
–– Andrich R. Tecnologia e Ausili per l’habitat della persona
anziana – Relazione invitata al congresso “Italia longeva
per una migliore qualità della vita: la nuova frontiera per
l’anziano di oggi e domani”. Ancona, Università Politecnica delle Marche, 14-15 giugno, 2012.
–– Andrich R. Ambient Assisted Living and Domotics –
Keynote Lecture at the 9th Advanced Postgraduate Course
on Geriatrics of the European Academy for Medicine of
Ageing (EAMDA). Martigny (Switzerland), June 25-29,
2012.
Ricerca corrente
• la sperimentazione delle tecnologie di monitoraggio installate con un campione di operatori socioassistenziali, che
rappresentano i principali destinatari di tali tecnologie.
In particolare, in sinergia con il progetto ACube, è stata
installata presso la casa domotica una rete di sensori wireless (Wireless Sensor Network) in grado di monitorare il
posizionamento di una persona all’interno della struttura.
È stato per altro perfezionato il funzionamento delle varie
tecnologie sensoristiche già precedentemente installate
nella casa domotica (telecamere, antenne RFID, sensori
dell’impianto domotico). L’insieme di tutte queste tecnologie, collegate a una piattaforma software di analisi dei
dati, costituisce un sistema in grado di monitorare le attività svolte dalle persone che si trovano nella casa domotica.
Nel corso della seconda metà dell’anno il sistema di monitoraggio è stato sperimentato attraverso un gruppo di
nove operatori sociosanitari reclutati presso l’RSA Istituto
Palazzolo della Fondazione Don Gnocchi. Ciascun partecipante ha svolto i sei scenari previsti del protocollo di sperimentazione per tre volte, impersonando i ruoli di paziente,
caregiver e supervisore (ovvero la persona che osserva gli
eventi che il sistema di monitoraggio è in grado di rilevare). Al fine di raccogliere un’informazione quantitativa
sul livello di usabilità, utilità e accettabilità del sistema di
monitoraggio sperimentato, dopo l’esecuzione di ciascuno
scenario i partecipanti hanno risposto a un questionario
strutturato. Al termine di ciascuna sessione sperimentale i
partecipanti sono inoltre stati coinvolti in focus group finalizzati a rilevare un feedback qualitativo sul sistema appena
provato.
I risultati emersi dalle sperimentazioni mostrano come, dal
punto di vista tecnico, il sistema di monitoraggio si sia dimostrato nel complesso affidabile nel rilevare gli eventi previsti dagli scenari delle sperimentazioni. I partecipanti al test
hanno mostrato notevole interesse nella tecnologia presentata, rispondendo positivamente alle domande relative alla
potenziale utilità del sistema come supporto nel proprio lavoro quotidiano. I risultati del questionario e i commenti liberi
emersi nel focus group sono sicuramente utili per un futuro
miglioramento del prototipo sviluppato.
Linea di Ricerca 1
49
Linea di Ricerca 1
Esercizio fisico ed efficienza muscolare
nell’anziano. Analisi trascrittomica comparativa
Responsabile: Veicsteinas Arsenio
Ricerca corrente
Background
50
La sarcopenia è una delle cause principali di fragilità dell’anziano, non può considerarsi una patologia. Si definisce
come perdita di massa magra ed è caratterizzata dalla diminuzione del numero delle unità motorie, in particolare delle
fibre rapide di tipo II. Dal concetto iniziale che il muscolo
scheletrico sia l’oggetto di segnali di regolazione, finalizzati
al suo adattamento alle mutevoli condizioni dell’organismo,
si sta oggi passando alla concezione che il muscolo rivesta
un ruolo centrale nella regolazione del proprio metabolismo
e che, a tale scopo, scambi continuamente informazioni di
tipo omeostatico con il resto del corpo. Sono state infatti
individuate numerose sostanze bioattive, tra cui le cosiddette miochine, che partecipano a tale “colloquio” tra cellule e tra organi e tessuti e tra queste, una delle relazioni
più importanti è quella che lega tessuto muscolare e adiposo. Infatti, i cambiamenti nel metabolismo indotti dall’attività fisica contribuiscono a instaurare un corretto equilibrio
calorico e a contrastare la formazione della massa grassa. È
stato sottolineato che i cambiamenti dinamici del fenotipo
metabolico ed endocrino del tessuto adiposo e scheletrico
contribuiscono a determinare la differenza tra salute e malattia metabolica. Inoltre, un dato recente particolarmente
interessante smentisce l’opinione diffusa che il controllo
della massa grassa e del metabolismo del glucosio esercitato dall’esercizio fisico sia basato unicamente sulla spesa
energetica conseguente all’esercizio stesso. Infatti, si è
visto che l’assunzione di antiossidanti, che bloccano la normale produzione di radicali liberi durante l’esercizio, contrastava gli effetti dell’esercizio stesso sull’aumento della
sensibilità all’insulina. Inoltre, l’esercizio fisico, sia di resistenza sia di forza, determina nel muscolo stesso delle vie
di segnalazione endocrine e paracrine che portano all’attivazione e all’aumento delle cellule satelliti, all’induzione di
fattori di proliferazione (MyoD, myogenin, Mrf4 e Myf5) e
all’aumento dell’attività anabolica (segnalazione di mTOR),
contrastando al tempo stesso le vie cataboliche. Tuttavia,

con l’invecchiamento pare diminuisca la disponibilità di
cellule satelliti e si indeboliscano i segnali endocrini (come
MGF). In questo complesso processo, molti aspetti sono
ancora ignoti e non si sa in che misura e in quale modo l’esercizio fisico sia in grado di contrastare l’instaurarsi della
sarcopenia.
Obiettivi
Il presente progetto si inserisce in uno studio che stiamo
portando avanti da tempo sulle modificazioni dell’espressione genica e sulla segnalazione molecolare attivate nel
muscolo scheletrico dall’attività fisica, sia nel sedentario,
sia nell’atleta e durante la riabilitazione. Attualmente si è
deciso di studiare il fattore “invecchiamento” e di estendere lo studio all’uomo. Il presente progetto origina dalla
constatazione che la sarcopenia dell’anziano e del paziente
da riabilitare si può contrastare con l’esercizio fisico continuativo e di intensità adeguata al singolo individuo. In questa fase del progetto, l’obiettivo principale è il confronto
dell’espressione genica nel muscolo scheletrico di quattro
classi di soggetti:
1. giovani (20-25 anni) praticanti sport amatoriale;
2. anziani (70-75 anni) praticanti sport a livello amatoriale;
3. giovani sedentari;
4. anziani sedentari.
Metodi
Il progetto richiede la disponibilità di biopsie muscolari di
soggetti umani. La collaborazione con un gruppo di ortopedici dell’IRCCS Istituti Ortopedici Rizzoli (Bologna) e dell’Università di Bologna, che abitualmente opera persone affette
da lesioni ai legamenti del ginocchio, ci offre l’opportunità
di ottenere biopsie di vasto laterale e di accedere a gruppi
di pazienti di interesse del presente progetto. D’altro canto,
i criteri di inclusione da noi prefigurati erano relativamente
selettivi. Infatti, oltre all’età, che caratterizza i quattro gruppi
da confrontare, e al genere (maschile in quanto più rappresentato nella chirurgia del ginocchio), abbiamo posto come
criterio la tipologia e l’intensità dell’esercizio fisico e lo stato
generale di buona salute e di non uso di farmaci potenzialmente interferenti. L’obiettivo minimo è di ottenere biopsie
da almeno 4 soggetti per gruppo.

Prodotti scientifici
–– Abruzzo PM, Bolotta A, Veicsteinas A, Marini M. ROS/
RNS-related adaptations of skeletal muscles to aerobic
exercise. 14° Congresso AIBG, Assisi (PG), 28-29 settembre 2012 Atti pag. 56.
Metodi non-lineari applicati al segnale
elettromiografico per l’identificazione
dell’affaticamento muscolare
Responsabile: Veicsteinas Arsenio
Background
La fatica localizzata influenza le proprietà elettriche delle fibre delle unità motorie, riducendone il potenziale d’azione e
allungandone la durata, la frequenza di scarica, il grado di reclutamento e la sincronizzazione, come ben dimostrato dalle
modificazioni dell’elettromiogramma (EMG) di superficie. In
particolare, durante uno sforzo isometrico sostenuto la root
mean squared (RMS) dell’EMG aumenta e la frequenza media (MF) dello spettro di potenza dello stesso segnale si sposta verso le basse frequenze.
Negli ultimi 20 anni sono emersi riscontri che il segnale elettromiografico presenti anche delle fluttuazioni simil-caotiche,
che possono essere caratterizzate matematicamente dall’analisi delle dinamiche non lineari che sottendono il segnale
elettromiografico. Sono stati pertanto proposti diversi indici di valutazione non lineare dell’EMG, basati soprattutto sul calcolo delle dimensioni frattali e dell’entropia del
segnale, molti dei quali attendono ancora una definitiva
validazione.
Uno degli indici non lineari più valutati è l’Approximate Entropy (ApEn), descritta per la prima volta nel 1995 da Pincus
et al. Si tratta del logaritmo negativo della probabilità che
due segmenti di una serie temporale che sono simili per un
certo numero di punti specificati rimangano simili anche nei
punti successivi. In sostanza, la ApEn misura la “regolarità”
temporale del segnale, ed è legata al tasso di generazione
di nuova informazione: bassi livelli di entropia riflettono un
elevato grado di regolarità nella serie temporale.
Un secondo indice non lineare molto utilizzato è la Fractal
Dimension (FD), il cui metodo originale è stato descritto da
Katz nel 1988. Questo indice è collegato alla dimensione
geo­metrica di una serie temporale considerata come oggetto frattale, e quantifica la tendenza di un segnale a riempire
una superficie (space filling propensity). Ridotti valori di FD
sono relativi a una ridotta complessità geometrica del segnale analizzato.
Ricerca corrente
RELAZIONE ATTIVITÀ
Abbiamo organizzato i prelievi in quattro passaggi:
a.identificazione del soggetto potenzialmente includibile;
b.sua adesione mediante consenso informato;
c.prelievo in sala operatoria, seguito dall’immediato trattamento del campione per adeguata conservazione, seguito
da estrazione degli RNA;
d.valutazione qualitativa e quantitativa degli RNA, retrotrascrizione, esecuzione di arrays specifici per mRNA e per
miRNA, e quindi valutazione dei risultati con uso di metodi
statistici e di strumenti bioinformatici (banche dati, informazioni sulle vie metaboliche e di espressione, reti di interazione ecc.).
Le difficoltà incontrate nella fase di prelievo e, quindi, relative ai tre step iniziali, sono state le seguenti:
a.i soggetti identificati nel corso dell’anno, che rispondevano ai criteri di inclusione/esclusione, sono stati molto
limitati, in quanto molti giovani sportivi giungevano alla
chirurgia dopo un periodo relativamente lungo di inattività
e quindi non erano eligibili per uno studio di trascrittomica;
viceversa, molti anziani si presentavano con patologie concorrenti, per cui erano esclusi dal progetto;
b.alcuni soggetti non hanno dato il consenso alla biopsia;
c.la fase di inserimento del campione nella provetta contenente “RNA-later®” e di trasferimento nei nostri laboratori
ha presentato inattesi problemi dovuti all’avvicendarsi di
diversi soggetti in sala operatoria.
Linea di Ricerca 1
51
Linea di Ricerca 1
Obiettivi
Lo scopo di questo lavoro è stato di valutare il grado di modificazione dell’attività elettrica del muscolo bicipite brachiale
dopo un esercizio affaticante e confrontare se e come siano
variati i parametri spettrali e non lineari del segnale elettromiografico (EMG).
Ricerca corrente
Metodi
52
Allo studio hanno partecipato 30 soggetti sani, di età pari
a 23,1±2,2 anni, peso 71,7±8,7 kg, e statura di 177±9 cm.
L’output di forza è stato registrato tramite una cella di carico (ambito di range lineare da 0 a 1.000 N), connessa allo
stiloide ulnare tramite una banda anelastica. Una schiera a
4 canali per la rilevazione del segnale elettromiografico è
stata posizionata sul ventre muscolare tra il punto motore e il tendine distale. Il segnale è stato quindi amplificato
(x 1.000), campionato a 2.000 Hz e filtrato (10-500 Hz). Il muscolo bicipite brachiale del braccio dominante è stato testato
isometricamente su un ergometro anatomico a un angolo
articolare fra braccio e avambraccio di 115°, in accordo con
una metodica seguita in studi precedenti. La sonda è stata
applicata sul ventre muscolare tramite banda adesiva. I soggetti hanno mantenuto il livello di forza necessario tramite
un feedback visivo (visualizzato sullo schermo del computer). La registrazione EMG è iniziata con la misura della massima contrazione volontaria (MCV). È stato previsto 1 minuto
di riposo tra una prova e l’altra. Dopo 10 minuti di riposo ai
soggetti è stato chiesto di mantenere l’80% della MVC per
20 secondi (Test 1). Dopo il Test 1 è stato previsto un esercizio affaticante (cicli ripetuti di 6 secondi di contrazione e 6
secondi di rilassamento al 50% MVC). Al termine dell’esercizio affaticante è stato previsto un minuto di riposo, dopo
il quale è stata misurata una nuova MVC. Immediatamente
dopo, è stato eseguito un secondo test all’80% della nuova
MVC (Test 2). In tutti gli esperimenti i valori di EMG sono
stati considerati accettabili solo dopo aver raggiunto il livello
di forza richiesto (±5%). Il segnale EMG è stato analizzato
nel dominio del tempo e delle frequenze calcolando la RMS
come indice di potenza totale e la distribuzione della potenza
spettrale a intervalli di 2 s. Gli spettri di potenza sono stati
ottenuti tramite Fast-Fourier-Transform (FFT): la FM è stata

calcolata offline. Gli indici non lineari applicati al segnale elettromiografico sono stati:
• ApEn: il metodo è basato sulla ricostruzione di una serie di
vettori (cioè di serie finite di punti successivi) shiftando sul
segnale stesso da un punto al successivo. Ogni vettore
viene poi confrontato con tutti gli altri vettori della medesima grandezza presenti nel segnale, e viene stimata la probabilità che la distanza geometrica tra due vettori rimanga
o meno al di sotto di una soglia predefinita, che in questo
studio corrispondeva al 15% della deviazione standard del
segnale originale, come definito in altri studi;
• Fractal Dimension (FD). In breve, la dimensione frattale
del segnale è stata calcolata, a partire da un punto fiduciale che abbiamo convenzionalmente preso a metà del
segnale registrato, come:
–– FD=log(N)/[log(N)+log(DD/L)]; dove N=numero dei punti
del segnale -1;
–– DD=distanza massima tra il punto fiduciale e tutti gli altri
punti del segnale;
–– L=lunghezza totale del segnale (calcolata come la somma delle distanze tra punti consecutivi).
Per l’analisi statistica è stato impiegato un test t di Student
per dati appaiati per il confronto dei valori lineari e non
lineari prima e dopo affaticamento muscolare.
RELAZIONE ATTIVITÀ
I risultati dell’analisi spettrale non hanno evidenziato differenze statisticamente significative a livello di MF tra condizioni
di pre- e post-affaticamento. Al contrario, la RMS è risultata significativamente ridotta nel post-affaticamento rispetto
alle condizioni basali. La forza, espressa come % della MVC,
è risultata ridotta tra Test 1 e Test 2. Per quanto riguarda
l’analisi delle dinamiche non lineari, i risultati relativi alle variazioni dell’ApEn e della FD non hanno consentito di verificare per entrambi gli indici variazioni significative indotte
dall’affaticamento. La variazione degli indici lineari dell’EMG
con l’affaticamento indica che l’ampiezza del segnale elettromiografico è significativamente influenzata dalla fatica, a
conferma di dati già presenti in letteratura. L’indice spettrale
della MF non è risultato influenzato dall’affaticamento, contrariamente a quanto si osserva in letteratura. Tuttavia, que-

Prodotti scientifici
’
–– Castiglioni P, Żurek S, Piskorski J, Kosmider
M, Guzik P,
Cè E, Rampichini S, Merati G. Assessing Sample Entropy
of Physiological Signals by the Norm Component Matrix
Algorithm: Application on Electromyograms during Isometric Contraction. Submitted to IEEE EMBS.
Ricerca corrente
sto valore è apparso influenzato dalla necessità di valutare
statisticamente la parte centrale del segnale elettromiografico registrato nei 20 secondi di test, al fine di mantenere
la sincronizzazione con l’applicazione degli algoritmi non lineari, che sono stati applicati a partire dalla metà dei punti
registrati. È verosimile che analizzando solo la parte terminale del segnale elettromiografico, dove presumibilmente
si concentrano maggiormente gli effetti dell’affaticamento,
sarebbero comparse anche differenze significative a livello
della MF. In questo protocollo, e con i metodi di analisi matematica utilizzati, gli indici di dinamica non lineare non sono
apparsi influenzati dall’affaticamento, sia per quanto riguarda
la complessità geometrica (FD), sia per quanto attiene alla
variazione nel tempo della complessità del segnale (ApEn).
Questo comporta le seguenti conclusioni:
1.la sensibilità degli algoritmi di dinamica non lineare è insufficiente per cogliere variazioni significative nel segnale
elettromiografico conseguenti all’affaticamento;
2.l’affaticamento non induce per sé alcuna variazione della
complessità del segnale elettromiografico. È infine verosimile che altri indici più complessi e sensibili di dinamica
non lineare (come per esempio l’Esponente di Lyapunov,
l’a-DFA o l’Esponente di Hurst) possano possedere la
sensibilità e la specificità necessari per valutare le variazioni EMG da affaticamento oppure che, almeno nel caso
dell’ApEn, si debba ricorrere a un metodo di analisi differente, basato sulla ricerca del valore massimo di tale indice ottenuto variando le dimensioni dei vettori e il range
di riferimento per il confronto tra vettori stessi (in questo
lavoro fissato al 15% della DS del segnale). Questo tentativo aumenta tuttavia molto i tempi computazionali, e
potrà essere eseguito solo con la disponibilità di algoritmi
più rapidi. Questo lavoro ha rappresentato un tentativo
preliminare di valutare eventuali variazioni elettromiografiche indotte dall’affaticamento mediante metodiche non
lineari, che richiederà come futuro sviluppo, prima di un
suo utilizzo in campo riabilitativo, il tentativo di applicazione di algoritmi più complessi e di una validazione statistica rigorosa delle condizioni di applicabilità degli algoritmi
vigenti.
Linea di Ricerca 1
53
Linea di Ricerca 1
Mind the gap: accorciare la distanza tra l’uomo e
la macchina nelle interazioni uomo-macchina
Responsabile: Carabalona Roberta
Ricerca corrente
Background
54
La natura delle interazioni uomo-macchina si sta trasformando, alla ricerca di strumenti sempre più efficaci e contemporaneamente sempre meno invasivi rispetto al contesto
di applicazione. In tal senso, nelle Human-Machine Interactions (HMI) si cerca di rendere l’elemento “macchina”
sempre meno estraneo all’elemento “uomo”, pur rimanendo i due elementi fisicamente separati. Passaggio chiave di
questo nuovo modo di considerare le HMI è costituito dal
crescente interesse verso i biosegnali, la cui acquisizione
durante l’esecuzione di un compito o la somministrazione
di uno stimolo può consentire di avere un quadro più ricco
e informativo sullo stato del soggetto che interagisce con la
macchina. In questo senso i sistemi Brain-Computer Interface (BCI) rappresentano un tipo particolare di HMI, poiché
strutturalmente l’input verso la macchina è dato dalle modifiche dell’attività cerebrale dell’utente (end-user) conseguenti
all’esecuzione di un compito cognitivo da parte dell’utente
stesso. Nell’ambito dei sistemi BCI l’utilizzo di biosegnali
acquisiti in maniera concorrente al segnale d’input primario
(EEG) risulta allora applicabile non solo per sfruttare meccanismi neurofisiologici noti, al fine di consentire l’uso dell’interfaccia, ma anche per studiare la qualità della interazione
utente-sistema.
La valutazione della qualità dell’esperienza dell’end-user non
può tuttavia prescindere dal considerare l’interfaccia stessa.
Quest’ultima può essere intesa in termini sia software sia
hardware. La prima accezione fa riferimento alla modalità
con cui è fornito lo stimolo e/o il feedback all’end-user, la
seconda rimanda agli elettrodi tramite i quali è possibile rilevare i biosegnali di interesse. Infine, risulta importante avere
a disposizione sistemi di acquisizione di biosegnali che siano
sempre più ecologici, cioè sempre più “invisibili” all’enduser.
Obiettivi
In relazione alle criticità esposte nel paragrafo precedente, la
presente ricerca ha avuto come obiettivi:

1.mettere a confronto due sistemi BCI con interfaccia tipo
speller P300 (P300 visiva), basati rispettivamente su caratteri alfanumerici (per comunicare testo) e su icone (per
comandare l’ambiente e comunicare stati d’animo/necessità) al fine di valutarne la sostenibilità per l’end-user (in
collaborazione con il servizio DAT dell’IRCCS S. Maria Nascente, Fondazione Don Gnocchi);
2.validare elettrodi a secco, basati su tecnologia a microaghi, per l’acquisizione di segnale elettroencefalografico (in
collaborazione con LABION - IRCCS SMN);
3.valutare la fattibilità di un sistema di acquisizione di biosegnali portabile e wireless da usarsi nell’ambito di protocolli
di neurofisiologia cognitiva (in collaborazione con il Politecnico di Milano).
Metodi
In relazione al primo obiettivo, il protocollo sperimentale
prevedeva l’utilizzo di entrambi gli speller (prima quello per
testo e poi quello per icone o viceversa) in modalità copyspelling, cioè su una sequenza predefinita di scelte. Nel caso
dello speller per testo questa era una parola di 10 caratteri,
nel caso dello speller per icone una sequenza di 6 azioni.
Per rispecchiare la natura sfaccettata dell’esperienza d’uso
di un sistema BCI sono stati presi in considerazione diversi
aspetti relativi a: efficacia nell’esecuzione del task, qualità
dell’esperienza dell’end-user e sua valutazione dell’usabilità del sistema proposto. L’efficacia nell’esecuzione del task
è rappresentata dal rapporto tra numero di scelte correttamente effettuate e totale delle scelte proposte (accuratezza
del classificatore, LDA per entrambi gli speller). L’esperienza dell’end-user è specificata tramite l’analisi di biosegnali,
utilizzando il numero di blink (ricavato da segnale oculare,
EOG), il bilanciamento simpato/vagale e la frequenza respiratoria massima (entrambi ricavati da segnale cardio, ECG).
Ciascuna delle variabili considerate è definita in rapporto al
relativo livello basale, ricavato da segnale acquisito da ciascun soggetto prima delle esperienze con gli speller. Infine,
l’usabilità del sistema è valutata attraverso un questionario
basato su scale Likert a 7 punti e somministrato all’end-user
alla fine dell’esperienza con ciascuno dei due speller. Questi
ultimi sono rappresentati in entrambi i casi da matrici 6x6 e
tutte le acquisizioni sono state effettuate nell’appartamento
domotico presente all’interno del servizio DAT. Per ogni tipo
di speller era prevista una coppia di acquisizioni: la prima di
familiarizzazione (training) e la seconda di esecuzione vera
e propria (performance). La validazione di elettrodi a secco
(dry) rispetto a quelli utilizzati con gel conduttivo (wet) ha
richiesto la messa a punto di un set-up ad hoc per la strumentazione del soggetto volontario (maschio, 26 anni, senza
patologie). Il montaggio, unipolare, prevedeva l’acquisizione
da Fp1, Fp2, T3, T4 (Ref: mastoide destro, GND: Fpz) a 200
Hz. Le acquisizioni sono state effettuate in diverse condizioni sperimentali: occhi aperti, occhi chiusi e generando
artefatti sia oculari (sbattere le palpebre) sia muscolari (digrignare i denti).
Relativamente alla valutazione della fattibilità di un sistema
di acquisizione di biosegnali multicanale, portabile e wireless, sono state innanzitutto definite le specifiche d’uso e,
preliminarmente alla realizzazione di un prototipo, è stato
condotto un market survey per verificare la presenza o meno
sul mercato di prodotti commerciali adatti allo scopo.
RELAZIONE ATTIVITÀ
Per la valutazione della sostenibilità dell’uso dei due sistemi BCI tipo speller P300 sono stati reclutati 9 soggetti (5
femmine, età: 49 [44-57], espressa in anni compiuti: mediana [25°-75°]) tutti afferenti alla UORNM dell’IRCCS SMN
e affetti da malattie neurodegenerative (SM, SLA, Atassia
di Friedreich). Nessuno di loro aveva esperienza pregressa
con sistemi BCI. I primi sei soggetti hanno utilizzato prima
lo speller per testi e poi quello per icone, gli ultimi tre hanno
eseguito la sequenza opposta.
I risultati ottenuti hanno mostrato l’adeguatezza del protocollo proposto rispetto all’obiettivo di valutare la sostenibilità
dei due sistemi BCI del tipo speller P300 in un contesto reale
(casa domotica) e con utenti disabili.
Rispetto all’efficacia nell’esecuzione del task, i risultati indicano che l’accuratezza (percentuale scelte corrette: mediana [25°-75°]) è stata, rispettivamente, 80% [50%-90%]
nel caso dello speller per testo e 50% [30%-67%] nel caso
dello speller per icone. Due soggetti (S1 ed S2) sono stati in
grado raggiungere un’accuratezza del 100% per lo speller
Linea di Ricerca 1
per testo e hanno però avuto una prestazione molto inferiore
nel caso dello speller per icone. Un solo partecipante (S6)
è riuscito a eseguire correttamente tutte le scelte nel caso
dello speller per icone, avendo inoltre una buona prestazione
(80%) nel caso dello speller per testo. Un risultato rilevante è inoltre rappresentato dal fatto che in tutti e tre i casi i
soggetti considerati hanno utilizzato lo speller per caratteri
per primo e a seguire quello per icone. Questo, unito alle
prestazioni degli altri soggetti e al fatto che le prove fossero
in copy-spelling, sembra indicare che il peggioramento della
performance nel caso dello speller a icone non sia dovuto a
un affaticamento cognitivo.
Per quanto riguarda la valutazione dell’esperienza dell’utente, l’indicazione più rilevante arriva dalla frequenza dei blink,
più bassa (in modo statisticamente significativo) nel caso
della fase di training dello speller per icone rispetto alla fase
di performance dello speller per caratteri, suggerendo una
maggiore richiesta di attenzione visiva da parte dello speller
per icone.
Infine, la valutazione dell’usabilità dei due sistemi (per quanto la stanchezza dei soggetti e la desiderabilità sociale possano essere fattori polarizzanti le risposte al questionario)
indica che i partecipanti hanno vissuto lo speller per icone
più piacevole e user-friendly, benché non più facile da usare,
dello speller per testo.
Relativamente alla validazione di elettrodi basati su tecnologia a microaghi, questi hanno avuto nell’acquisizione di
segnale EEG performance comparabili (in termini di confronto di tracciati e analisi spettrale) con quelli ottenuti tramite
elettrodi wet nelle varie condizioni sperimentali previste dal
protocollo.
Per quanto riguarda il sistema portatile e wireless di acquisizione di biosegnali, il market survey ha messo in evidenza
che non ci sono al momento sistemi commerciali in grado di
soddisfare tutte le specifiche richieste e quindi si è proceduto alla progettazione e alla realizzazione del prototipo. Le
prove effettuate sulla prima versione (beta 1), costituita da
un solo modulo a 8 canali in relazione a segnali EEG ed EOG,
hanno dato risultati positivi. Pertanto si è passati all’assemblaggio della versione beta 2, che prevede quattro moduli da
Ricerca corrente

55
Linea di Ricerca 1
8 canali, e alla conseguente riprogettazione e implementazione del firmware necessario per effettuare le acquisizioni.
Prodotti scientifici
–– Carabalona R, Grossi F, Tessadri A, Castiglioni P, Caracciolo A, De Munari I. Light on! Real world evaluation of a
P300 based BCI for environment control in a smart home.
Ergonomics 2012: 55 (5), 552-563 – Special Issue: Braincomputer interface (BCI) and ergonomics.
–– Forvi E, Bedoni M, Carabalona R, Soncini M, Mazzoleni
P, Rizzo F, O’Mahony C, Cassarà DG, Gramatica F. Preliminary technological assessment of microneedles-based
wet electrodes for biopotential monitoring in clinical examinations. Sensors and Actuators (A: Physical) 2012: 180,
177-186.

Misura semplificata dei volumi respiratori e
dei movimenti del torace attraverso sistemi
optoelettronici
Responsabile: Mazzoleni Paolo
Background
Tradizionalmente, il protocollo per la stima dei volumi respiratori tramite sistemi optoelettronici prevede il posizionamento di 89 marker sul torace del soggetto da analizzare.
La messa a punto di un nuovo protocollo che preveda un
numero inferiore di marker semplificherebbe in modo importante la strumentazione del soggetto.
Obiettivi
La ricerca in atto è finalizzata a verificare la possibilità di riduzione del numero di marker utilizzati per la stima dei volumi
respiratori sia nel soggetto fermo che in condizioni dinamiche.
Metodi
Successivamente la scrittura e la validazione dell’algoritmo di
calcolo dei volumi si sono acquisiti i soggetti di controllo mediante sistema optoelettronico configurato per le valutazioni
dei volumi respiratori e si sono calcolati gli indici di errore tra
il modello 89 Mk e i modelli semplificati. Successivamente
l’algoritmo è stato impiegato su soggetti patologici affetti da
COPD e Pectus Excavatum forniti dall’unità di valutazione respiratoria di Firenze (Fondazione Don Gnocchi, Dott. Gigliotti).
Ricerca corrente
RELAZIONE ATTIVITÀ SVOLTE E RISULTATI OTTENUTI
56
A tal fine è stato necessario effettuare alcune analisi supplementari sui dati precedentemente acquisiti. In particolare è
stato necessario analizzare i dati raccolti nei soggetti di controllo durante la corsa su tapis roulant a velocità di 9 km/h, per
valutare quali marcatori possono essere eliminati in fase dinamica minimizzando l’errore. I risultati hanno evidenziato che
le diverse velocità vincolano diversi marcatori, ma i più critici
risultano essere quelli in prossimità dell’ascella, perché alternativamente mascherati dell’oscillazione del braccio durante
la corsa. Si è conclusa la verifica degli effetti sulla accuratezza
della stima, dell’eventuale eliminazione di questi marcatori.
Inoltre sono state effettuate nuove acquisizioni su soggetti di
controllo durante attività fisica su cyclette con diversi schemi
di posizionamento dei marker per valutare se diverse strategie di posizionamento possono migliorare l’accuratezza delle

Linea di Ricerca 1
stime finali dei volumi. I risultati hanno evidenziato che la riorganizzazione spaziale dei marcatori riduce l’errore nel protocollo a 77 Mk sia in statica che dinamica, risulta pressoché
indifferente se applicato al protocollo 70 Mk, ma incide addi-
rittura negativamente se applicato al 68 Mk.
Prodotti scientifici
Nel 2010 è iniziata la scrittura del manoscritto per la pubblicazione su rivista scientifica dei risultati raccolti.
Vcv - Static -
Vcv - Dynamic -
1,0
77Mk 70Mk 68Mk
77Mk 70Mk 68Mk
-1,0
-2,0
-4,0
-4,0
BCPO
Pect Exc
77Mk 70Mk 68Mk
-2,0
-3,0
Controllo
77Mk 70Mk 68Mk
-1,0
-3,0
Fig. 1A
77Mk 70Mk 68Mk
0,0
val (%)
val (%)
0,0
1,0
77Mk 70Mk 68Mk
Fig. 1A
BCPO
Controllo
Pathology
Pect Exc
Pathology
Vcv dei soggetti analizzati durante gli esercizi statici e dinamici. Si evidenzia come al diminuire del numero dei marcatori la riduzione del volume sia
molto maggiore nei soggetti di controllo. La linea rossa tratteggiata evidenzia la soglia sotto la quale l’errore εval (%) non è più accettabile
Tab. 1 – Errore percentuale εval per il Vcv nella riduzione del protocollo da 89 Mk a 77, 70 e 68 marcatori, per tutti i
soggetti analizzati durante gli esercizi statici e dinamici
Statica
Controlli (Mediana/range)
BPCO (Mediana/range)
Pectus Exacvatum (Mediana/range)
0,079
0,108
0,149
0,177
–0,001
0,341
0,072
0,213
0,047
77 Mk
–2,001
–1,376
–1,814
70 Mk
–1,131
–2,626
–0,810
–2,290
–1,076
–2,423
–2,693
–1,484
–1,752
–1,967
–3,165
–0,245
–2,839
–1,093
–2,312
68 Mk
–3,214
–1,791
–2,033
–2,965
–4,081
–0,566
–3,257
–1,385
–2,599
Dinamica
89 Mk
Controlli (Mediana/range)
0,063
BPCO (Mediana/range)
0,130
Pectus Exacvatum (Mediana/range)
0,154
0,125
0,008
0,334
0,080
0,201
0,032
77 Mk
–1,744
–1,325
–1,774
–1,099
–2,391
–0,906
–2,477
–1,038
–2,546
70 Mk
–2,728
–1,438
–1,865
–1,844
–2,913
–0,367
–2,985
–1,085
–2,344
68 Mk
–3,314
–1,747
–2,171
–2,902
–3,935
–0,694
–3,409
–1,258
Ricerca corrente
89 Mk
–2,658
57
Linea di Ricerca 1
Nuovi approcci terapeutici
nelle malattie muscolari
Responsabile: Mirabella Massimiliano
Ricerca corrente
Background
58
I mesoangioblasti rappresentano una nuova classe di cellule staminali potenzialmente utili nella terapia di miopatie
primitive di varia eziologia.
È rilevante la capacità di riparazione strutturale e funzionale del muscolo scheletrico dimostrata dai mesoangioblasti
somministrati per via intra-arteriosa in modelli animali di
distrofia muscolare.
I mesoangioblasti possono essere isolati dalla biopsia muscolare effettuata a scopo diagnostico, espansi ex vivo,
opportunamente indirizzati verso la differenziazione terminale in muscolo scheletrico, ed eventualmente manipolati
geneticamente laddove necessario, o comunque opportunamente stimolati per ottenerne con la massima efficienza
la differenziazione terminale.
Somministrati per via intra-arteriosa possono integrarsi
con le fibre muscolari dell’ospite ricevente e partecipare
ai meccanismi di riparazione e rigenerazione nei muscoli
bersaglio. Finora non sono stati descritti approcci farmacologici o biomolecolari ex vivo in grado di aumentare la capacità dei mesoangioblasti umani di differenziare in muscolo
scheletrico. Tale capacità differenziativa è risultata significativamente difettiva solo nelle cellule isolate dal muscolo
di pazienti IBM, e variabilmente ridotta nei muscoli affetti
di pazienti con FSHD.
Nel muscolo adulto della IBM e di altre miopatie infiammatorie i mesoangioblasti sono localizzati nella “nicchia” perivascolare e normalmente non destinati a produrre muscolo
scheletrico.
È possibile isolare, da una biopsia muscolare, tali cellule
che possono essere espanse in coltura, stimolate a differenziare in muscolo scheletrico. Tali cellule potrebbero
essere reinoculate per via intra-arteriosa nello stesso paziente per aiutare il processo di rigenerazione del tessuto
muscolare.
La FSHD è la terza malattia muscolare ereditaria in termini
di frequenza. Nei pazienti affetti da FSHD è frequente la co-

esistenza di muscoli danneggiati e muscoli apparentemente non affetti. I mesoangioblasti umani potrebbero risultare
particolarmente utili in malattie quali la FSHD in cui si ha un
coinvolgimento muscolare selettivo.
Obiettivi
Studio in vitro e in vivo della capacità differenziativa
in muscolo scheletrico di mesoangioblasti di distrofia
facio-scapolo-omerale (FSHD).
Terapia cellulare per la rigenerazione del muscolo
scheletrico con mesoangioblasti umani di pazienti con
miosite a corpi inclusi (IBM): studi in vivo e in vitro.
• Individuare strategie di intervento terapeutico finalizzate
a ottenere, con la massima efficienza, la differenziazione
terminale dei mesoangioblasti.
• Stimolare in vitro il potenziale differenziativo muscoloscheletrico di mesoangioblasti isolati da tessuto muscolare di pazienti IBM mediante modulazione dell’espressione
della citochina TWEAK.
• Verificare in modelli murini (topi SCID) l’efficienza della riparazione muscolare.
• Determinare se i mesoangioblasti FSHD ottenuti da muscoli differentemente alterati abbiano in vivo lo stesso
comportamento mostrato in vitro, eseguendo trapianto
intramuscolo di mesoangioblasti FSHD in topi SCID.
• Studiare in vitro la migrazione dei mesoangioblasti in risposta a diversi stimoli.
• Studiare i pathway coinvolti nella differenziazione muscolo-scheletrica in mesoangioblasti da muscolo normale e
affetto.
Metodi
• Abbiamo isolato mesoangioblasti da biopsie muscolari
eseguite a scopo diagnostico, dopo consenso informato.
• Analisi citofluorimetrica per i marcatori delle cellule
umane; capacità proliferativa studiata mediante curve
di crescita e la staminalità mediante test clonogenici;
la risposta a diversi stimoli (citochine) mediante test di
migrazione utilizzando “Transwell Permeable Supports”.
• La capacità differenziativa dei mesoangioblasti studiata come precedentemente descritto (Morosetti PNAS
2006).
• Studi sull’espressione di proteine coinvolte nella differenziazione muscolare e nella migrazione mediante WB
e immonocitochimica.
• Trapianti intramuscolari dei mesoangioblasti FSHD in
topi SCID. Mesoangioblasti da muscoli con differente grado di compromissione sono stati trapiantati nel
muscolo tibiale anteriore. Per evitare la variabilità sperimentale abbiamo trapiantato cellule da muscoli “affetti” e “non affetti” negli arti posteriori dello stesso topo.
I topi sono stati anestetizzati con ketamina e xylazina.
Prima di ogni trapianto è stato indotto danno focale con
azoto liquido.
• L’immunoistochimica è stata effettuata su sezioni di 8
micron. I campioni sono stati analizzati per lamina A/C
e spectrina umane con microscopio confocale TCS SP5.
• Trattamento dei mesoangioblasti di dermatomiosite (DM)
e di IBM con TWEAK umano, o inibizione della stesso
mediante siRNA.
RELAZIONE ATTIVITÀ svolte
Studio in vitro e in vivo della capacità differenziativa
in muscolo scheletrico di mesoangioblasti di distrofia
facio-scapolo-omerale (FSHD)
Migrazione ed espressione di HMGB1 e RAGE
nei mesoangioblasti FSHD
HMGB1 è un potente fattore chemiotattico per i mesoangioblasti murini in vitro e in vivo. Poiché abbiamo osservato
che i mesoangioblasti ottenuti da muscoli affetti rimanevano
principalmente localizzati nel perimisio-endomisio del tessuto connettivo, probabilmente riflettendo un difetto nella
migrazione locale, abbiamo studiato la capacità di migrazione in vitro di tutti le colture di mesoangioblasti disponibili,
mettendo a confronto migrazione in risposta a HMGB1. Una
differenza notevole nella capacità di migrazione in risposta
a HMGB1 (100 ng/ml) è stata osservata tra mesoangioblasti da muscoli apparentemente normali e quelli da muscoli
affetti (Fig. 1).
Abbiamo riscontrato bassi livelli di espressione del recettore
di HMHB1, RAGE, in mesoangioblasti ottenuti da muscoli
affetti (Figg. 2A e B). L’espressione più bassa di RAGE non
sembra riflettere una corrispondente bassa espressione del
Linea di Ricerca 1
ligando nel muscolo di origine, dal momento che da WB
su omogenati di biopsia muscolare, i muscoli gravemente
colpiti hanno mostrato una più alta espressione di HMGB1
rispetto ai muscoli normali (Fig. 2C). Anche mediante immunocitochimica su sezioni di muscoli FSHD clinicamente e patologicamente affetti, oltre a HMGB1 nucleare, si osservava
una maggiore immunoreattività citoplasmatica ed extracellulare (probabilmente HMGB1 acetilata), correlabile alla presenza di infiltrati infiammatori mononucleati nell’endomisio
e a fibre necrotiche.
L’attivazione di NF-kB è necessaria per la migrazione dei mesoangioblasti in risposta a HMGB1. Poiché HMGB1 induce
l’attivazione del pathway canonico di NF-kB tramite la fosforilazione di IκBα endogeno, abbiamo esaminato l’espressione pIκBα in mesoangioblasti dai muscoli FSHD con un diverso grado di compromissione. I mesoangioblasti da muscoli
normali esprimevano costitutivamente alti livelli di pIκBα rispetto a quelli da muscoli affetti (Figg. 3A e B).
Terapia cellulare per la rigenerazione
del muscolo scheletrico con mesoangioblasti umani
di pazienti con miosite a corpi inclusi (IBM):
studi in vivo e in vitro
La concentrazione di TWEAK è stata determinata nel medium di coltura durante la differenziazione di mesoangioblasti umani di pazienti IBM, DM, PM. Tutte le colture di mesoangioblasti rilasciavano la citochina nel medium, con livelli
significativamente più alti nel medium ottenuto dalle cellule
IBM. Un risultato simile è stato ottenuto quando l’analisi è
stata effettuata su sovranatanti di colture di mesoangioblasti
di pazienti di età confrontabili, confermando che l’aumentata
secrezione di TWEAK era correlata alla patologia piuttosto
che all’età dei pazienti (Figg. 4A e B).
Per verificare se il silenziamento di TWEAK mediante siRNA
interferisse con il rilascio della citochina da parte dei mesoangioblasti ne abbiamo determinato la concentrazione nei
sovranatanti di cellule IBM precedentemente trattate con
siRNA. I livelli di TWEAK nel medium di mesoangioblasti
trattati erano significativamente più bassi rispetto a quelli
non trattati (Fig. 4C) e ciò era associato all’induzione della
differenziazione muscolo scheletrica.
Ricerca corrente

59
Linea di Ricerca 1
PRODOTTI SCIENTIFICI
– Morosetti R, Gidaro T, Broccolini A, Gliubizzi C, Sancricca
C, Tonali PA, Ricci E, Mirabella M. Mesoangioblasts from
facioscapulohumeral muscular dystrophy display in vivo
a variable myogenic ability predictable by their in vitro
behavior. Cell Transplant. 2011; 20:1299-313.
– Morosetti R, Gliubizzi C, Sancricca C, Broccolini A, Gidaro T, Lucchini M, Mirabella M. TWEAK in Inclusion-Body
Myositis: possible pathogenic role of a cytokine inhibiting myogenesis. American Journal of Pathology 2012;
Pt8
Pt7
Ricerca corrente
60
15
10
5
Fig. 1A
20
*
migrating cells
migrating cells
20
HMG81
medium
Muscolo non affetto
15
10
5
Fig. 1B
HMG81
medium
Muscolo affetto
Migrazione di mesoangioblasti in apparato Boyden in risposta a HMGB1 100 ng/ml. May-Grunwald-Giemsa di mesoangioblasti da muscolo non affetto
e da muscolo affetto
Linea di Ricerca 1
RAGE
RAGE
ß-actina
ß-actina
Fig. 2A
Fig. 2B
191bp
217bp
CT
Pt4
Pt7
Pt8
Pt1
Pt6
Pt2
Pt3
1.00
HMGB1
Rage/ß-actin
1.25
-0.75
0.50
0.25
Fig. 2A’
CT
Pt4
Pt7
Pt2
Fig. 2C
Pt8
A) WB su mesoangioblasti FSHD. B) espressione di mRNA di RAGE in mesoangioblasti FSHD e un controllo. C) HMGB1 in biopsie muscolari FSHD
pI B
ß-actina
Fig. 3A
1.00
0.80
0.60
0.40
0.20
Pt4
Pt7
Pt6
Pt2
Pt8
CT
Fig. 3B
Pt7
Pt4
Pt2
Pt8
Pt6
Pt1
CT
Ricerca corrente
pI B /ß-actina
1.20
A) pIκBα in mesoangioblasti FSHD. B) Analisi densitometrica di 3 WB su 6 colture FSHD e un controllo
61
Linea di Ricerca 1
80
*
600
age (years)
TWEAK (pg/ml)
800

400
IBM
PM
DM
CT
IBM
PM
DM
600
300
IBM
*
*
DM
CT
600
*
300
Fig. 4C
+siRNA
-siRNA
Ricerca corrente
IBM
62
180:1603-13.
CT
900
TWEAK (pg/ml)
TWEAK (pg/ml)
40
Fig. 4AI
900
Fig. 4B
60
20
200
Fig. 4A
*

Background
A oggi il rilascio di farmaci per via transdermica offre alcuni
vantaggi rispetto alle somministrazioni iniettive e orali: nessuna invasività, minimo disagio per il paziente, nessun metabolismo di primo passaggio e degradazione gastrointestinale; quindi possibile miglioramento nella biodisponibilità del
farmaco [Burton SA, 2011, Hu L, 2011, Riehemann K, 2009].
Tuttavia esistono alcuni limiti legati al rilascio transdermico di
molecole farmacologicamente attive come l’impossibilità di
modulare con rapidità il livello ematico di farmaco, la natura
chimico-fisica e il peso molecolare, in quanto le macromolecole vengono bloccate dallo strato corneo (SC) che svolge
una funzione di barriera. I meccanismi di penetrazione delle
molecole attraverso l’epidermide non sono ancora del tutto
noti sia dal punto di vista computazionale che sperimentale.
Infatti solo una ridotta percentuale di molecole penetra efficacemente attraverso la cute: tali molecole sono perlopiù
piccole e idrofobiche, con un peso molecolare inferiore ai
500 Da [Donnelly RF, 2010, Cevc G, 2010]. Il loro trasporto
attraverso la cute, basandosi su meccanismi di diffusione
passiva, è molto lento e sono necessari tempi lunghi per
ottenere concentrazioni significative e stazionarie [Chavez
E, 2009].
Recentemente sono stati introdotti metodi per migliorare
la permeabilità della cute, che, superando la barriera dello
SC, consentano il rilascio transdermico anche di molecole polari, idrofiliche e ad alto peso molecolare (>500 Da).
Tra queste tecniche, i microaghi si configurano come promettente metodo innovativo per il rilascio transdermico di
farmaci. I microaghi oltrepassando lo SC sono in grado di
rilasciare farmaci anche ad alto peso molecolare direttamente negli strati più profondi e più diffusivi della cute e
quindi, venendo a contatto velocemente con il microcircolo
e il circolo sistemico, permettono un assorbimento rapido
e diretto del farmaco a livello sistemico [Chavez E, 2011;
Gupta J, 2011]
Obiettivi
L’obiettivo della ricerca consiste nell’ottimizzazione di una
device basata su microaghi per il rilascio transdermico di farmaci. In particolare, si vuole osservare il miglioramento del
trasporto transdermico di molecole operato dai microaghi rispetto al solo meccanismo di trasporto passivo (diffusione).
Mediante l’utilizzo di tecniche sperimentali e computazionali
si vuole individuare la configurazione ottimale della device
per ottenere profili farmacocinetici confrontabili con quelli
presenti in letteratura. L’approfondimento dei meccanismi
di trasporto di biomolecole nella cute (dall’epidermide al
derma e viceversa) umana permetterà infine di individuare
i parametri che influiscono su tali processi, consentendo lo
sviluppo di un modello computazionale.
Metodi
Modalità di reclutamento campioni
I campioni di cute umana ex vivo provenivano inizialmente da
interventi di addominoplastica, e solo negli ultimi due mesi dalla convenzione predisposta con la banca della pelle dell’Unità
di Terapia Tissutale dell’ospedale Niguarda Ca’ Granda.
Casi/Controlli
Le biopsie di cute umana ex vivo (n=20) di dimensioni 1,5 x
1,5 cm sono servite per gli esperimenti di trasporto di molecole con la Cella di Franz e per la caratterizzazione morfologica dell’interazione aghi-pelle con microscopia elettronica a
scansione (SEM).
Interventi applicativi
In ambito sperimentale sono stati utilizzati i seguenti strumenti
e applicate le seguenti metodologie:
–– Cella di Franz, collegata a termoblocco a 37 °C (simulazione temperatura corporea), come strumento per valutare
la permeazione cutanea di molecole bioattive attraverso i
diversi strati di cute ex vivo.
–– È stato analizzato il trasporto dal compartimento epiteliale
al derma e dal derma all’epidermide. Sono state studiate
le seguenti molecole a una concentrazione di 2 mg/mL
(dose finita) contenute nella camera donatrice:
• caffeina  sostanza comunemente utilizzata come controllo per studi di diffusione grazie al suo basso peso
molecolare;
Ricerca corrente
Ottimizzazione di una device basata su microaghi
per il rilascio transdermico di farmaci: studio
computazionale e sperimentale
Responsabile: Gramatica Furio
Linea di Ricerca 1
63
Linea di Ricerca 1
• dopamina  principio attivo di farmaci per patologie
neurodegenerative;
• apomorfina  principio attivo di farmaci per patologie
neurodegenerative.
Dalla camera ricevente sono stati prelevati, ogni 30 minuti fino alle 24 ore, 500 ml di soluzione tampone contenente le molecole permeate.
–– High Performance Liquid Cromatography (HPLC) per analizzare i profili farmacocinetici transdermici a partire da misure di concentrazione delle molecole in una soluzione di
raccolta, 20 ml dei 500 ml prelevati. Abbiamo utilizzato una
colonna C18 RP 50 mm e tamponi ACN 10%; PBS pH 4.
–– SEM per valutare morfologicamente la perforazione dell’epidermide grazie alla device con microaghi (300 mm e 1
mm), è stata depositata la cute (senza alcuna processamento) direttamente sul montante del microscopio mediante uno scotch conduttivo e manualmente è stato effettuato il piercing con la device.
A livello computazionale sono state effettuate alcune simulazioni di diffusione attraverso la cute, con il software Skincad, analizzando i profili farmacocinetici di alcuni
principi attivi (contenuti nel database del software) come
il fentanyl, tulobuterolo, prednisolone ecc. con il fine di
confrontare, in futuro, questi risultati con quelli ottenuti
sperimentalmente.
Criticità: difficoltà nel reclutamento di campioni di cute a
causa di ritardi burocratici nella convenzione stipulata con
Niguarda che ha provocato rallentamenti nell’attività sperimentale di laboratorio e quindi nell’analisi computazionale
dei dati ottenuti.
Ricerca corrente
RELAZIONE ATTIVITÀ
64
Abbiamo ottenuto risultati sperimentali relativi ad analisi di
diffusione di molecole attraverso la cute e analisi morfologica di cute post-piercing con microaghi.
L’analisi computazionale, a oggi, ha principalmente riguardato
un’analisi critica di software già esistenti per studiare la diffusione di molecole attraverso la cute, verificando i minus e
i plus” con l’obiettivo di creare, in futuro, un nostro software
migliorativo. Per cui abbiamo effettuato alcune simulazioni utilizzando versioni demo di tali software come SkinCad.

I grafici relativi alla permeazione di caffeina attraverso epidermide e derma, evidenziano che già dopo 1 ora avviene la
diffusione della caffeina, con una concentrazione crescente
fino alle 24 ore (Fig. 1, grafico diffusione da epidermide a
derma). In Fig. 2 è riportato il grafico di diffusione della dopamina attraverso la cute, in cui, anche per questa molecola,
a partire da 1 ora si nota un aumento di concentrazione nel
tempo. Nel passaggio dal derma all’epidermide si evidenzia
un iniziale assestamento nella permeazione della dopamina
fino alle 4 ore per poi avere un incremento nelle ore successive (grafico non mostrato).
I grafici relativi alla diffusione dell’apomorfina mostrano
sempre un andamento di crescita ma in entrambi i casi
dopo le 22 ore dall’inizio dell’esperimento si evidenzia un
decremento nella concentrazione di apomorfina permeata, tale dato dovrà essere supportato da ulteriori esperimenti.
Dai dati ottenuti si evince che esiste un medesimo “rate
temporale” di diffusione di molecole sia dal compartimento
epiteliale al derma che viceversa a partire da circa 1 ora dopo
l’inizio dell’esperimento.
L’analisi morfologica mediante SEM del piercing, operato
da microaghi a differenti altezze su campioni di cute umana
ex vivo, ha evidenziato che array di microaghi in silicio alti
300 micron riescano solamente a indentare senza bucare i
campioni di cute umana, mentre array di aghi in acciaio alti
1 mm riescano a bucare con successo i campioni di cute
(Fig. 3).
Quindi si evince che microaghi alti 1 mm siano adatti per
bucare in modo riproducibile la cute umana senza provocare dolore e infiammazione (quest’ultimi dati sono stati
presentati nelle RC degli anni precedenti).
L’utilizzo di microaghi (con altezza fino a 1 mm) potrebbe
dunque aiutare la veicolazione delle biomolecole all’interno
degli strati cutanei portandole, in un tempo inferiore a 1 ora,
direttamente a livello del circolo locale e poi sistemico.
Abbiamo inoltre ottenuto simulazioni numeriche del trasporto di fentanyl attraverso la cute mediante il software SkinCad. Ulteriori studi andranno effettuati nell’ambito computazionale.
Linea di Ricerca 1
RISULTATI
Dopamina permeata attraverso la cute
Caffeina permeata attraverso la cute
1600
Concentrazioni (mg)
20
15
10
5
1400
1200
1000
800
600
400
200
campione
campione
Fig. 1
5
10
15
20
25
Tempi prelievo
Grafico di diffusione della caffeina dall’epidermide al derma, in ascissa il
tempo, in ordinata la concentrazione espressa in mg
Fig.3
Fig. 2
5
10
15
20
25
Tempi prelievo
Grafico di diffusione della dopamina dall’epidermide al derma
Microfotografie al SEM di epidermide post-piercing con microaghi alti 1.000 mm. L’ingrandimento indica il piercing
Ricerca corrente
Concentrazioni
25
65
Linea di Ricerca 1
Prodotti scientifici
–– Forvi E, Bedoni M, Carabalona R, Soncini M, Mazzoleni P,
Rizzo F, O’Mahony C, Morasso C, Cassarà DG, Gramatica
F. Preliminary technological assessment of microneedlesbased dry electrodes for biopotential monitoring in clinical
examinations. Sens. Actuators A:Phys, 2012; 180:177186.
–– Donetti E, Gualerzi A, Ricceri F, Pescitelli L, Bedoni M,
Prignano F. Etanercept restores a differentiated keratinocyte phenotype in psoriasi human skin: a morphological
study”. Exp Dermatol, 2012; 21:549-551.
Abstract:
–– Bedoni M, Forvi E, Morasso C, Mehn D, Vanna R, Gramatica F. Microneedles Technology: an Emerging Biomedical
Device to Overcome the Skin Barrier. Exp Dermatol (2012)
Volume: 21 Issue: 9 Pages: E2-E2.
–– Donetti E, Gualerzi A, Bedoni M, Ricceri F, Pescitelli L,
Prignano F. Etanercept and psoriatic human skin: new insights. Exp Dermatol (2012) Volume: 21 Issue: 9 Pages:
E6-E6.
Congresso internazionale:
–– Bedoni M, Forvi E, Morasso C, Mehn D, Vanna R, Gramatica F. “Emerging Microtechnology-Enabled Biomedical
Devices to Overcome the Skin Barrier”. 9th International
Conference and Workshop on Biological Barriers”. Saarland
University, Saarbrücken, Germany, 29 February-9 March
2012.

Portale Siva
Responsabile: Andich Renzo
Background
Lo sviluppo di efficaci modelli di intervento nel settore degli
ausili richiede l’apporto di una vasta gamma di competenze
interdisciplinari, e il coinvolgimento di vari stakeholder, quali:
1) medici e operatori della riabilitazione, 2) funzionari del Servizio Sanitario Nazionale (e dei vari sistemi regionali) impegnati a vari livelli (decisionale, amministrativo, operativo) nel
sistema pubblico di assistenza protesica, 3) aziende produttrici di ausili impegnate nello sviluppo della qualità dei loro
prodotti, 4) persone con disabilità e loro familiari in quanto
utenti diretti di questo tipo di tecnologie e 5) operatori coinvolti nell’integrazione scolastica, lavorativa e sociale delle
persone con disabilità.
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 a una razionalizzazione della
spesa pubblica, che sta investendo sempre maggiormente
in questo settore, rende inoltre fondamentale la messa a
punto di metodologie per l’analisi economica degli interventi
(bilancio costi/outcome).
Ricerca corrente
Obiettivi
66
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 assistive (ausili) e quell’approccio
progettuale all’ambiente, ai prodotti e ai servizi oggi noto
come design for all.
Obiettivo generale 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, sperimentare e divulgare strumenti e
metodologie per ottimizzare le varie fasi di questo processo.
In particolare essa si è proposta di:
1.proseguire nello sviluppo e nella sperimentazione di protocolli per la valutazione individualizzata degli ausili;
2.proseguire nello sviluppo di strumenti di analisi costo/efficacia delle tecnologie assistive;
3.
monitorare l’offerta del mercato in tema di tecnologie
assistive garantendo un aggiornamento costante dell’informazione attraverso il Portale Italiano degli Ausili (www.
portale.siva.it) e il Portale della Rete Informativa Europea
sulle tecnologie Assistive (www.eastin.eu).
Metodi
Trattandosi di una ricerca orientata ad approfondire tematiche di carattere generali trasversali al vasto mondo delle
tecnologie assistive, più che non a sperimentare specifici
modelli o protocolli di intervento, le metodologie utilizzate
sono state principalmente:
1.la ricerca bibliografica;
2.la consultazione di esperti (workshop, focus group, interviste) sia a livello nazionale (Rete SIVA dei Servizi Informazione e Valutazione Ausili della Fondazione Don Gnocchi; Rete GLIC dei Centri Ausili italiani) che internazionale
(Rete AAATE – Association for the Advancement of Assistive Technology in Europe);
3.la raccolta di dati tecnici sugli ausili tecnologici direttamente presso le aziende produttrici o distributrici, o attraverso
i loro siti Web.
Il sito SIVA (www.siva.it) e il Portale SIVA (www.portale.siva.
it) sono stati gli strumenti di base per la gestione delle informazioni raccolte e per la messa a disposizione del pubblico
del materiale formativo prodotto, mentre il Portale EASTIN
(www.eastin.eu) e il sito dell’AAATE hanno consentito di
divulgare in ambito europeo quello che riveste di interesse
internazionale.
RELAZIONE ATTIVITÀ
Le attività si sono concentrate principalmente su cinque linee di lavoro.
Linea di Ricerca 1
• La prima ha riguardato lo sviluppo sul Portale SIVA di strumenti e metodologie innovative per l’informazione e la formazione dei vari attori coinvolti nel settore; in particolare è
stato messo in atto un programma di formazione continua
articolato in 8 Seminari Online mensili (webinar), utilizzando la piattaforma Adobe Connect, con una partecipazione
variabili da 30 a 150 punti di ascolto distribuiti in tutta Italia.
• La seconda ha riguardato l’organizzazione di un Corso Universitario di Perfezionamento in tema di tecnologie assistive, articolato in quattro moduli intensivi di una settimana
ciascuno e completato dalla produzione da parte di ogni
allievo di un elaborato individuale. Vi hanno partecipato 24
allievi, 17 dei quali hanno completato l’Elaborato, che è
ora pubblicamente disponibile sul Portale SIVA, assieme
al materiale didattico prodotto dai docenti. Quest’ultimo
comprende dispense che trattano i vari ambiti tecnologici
e applicativi (cura personale, postura, mobilità, comunicazione, arredo e impiantistica domestica, domotica, accessibilità informatica ecc.), protocolli clinici per la valutazione
individualizzata degli ausili nell’ambito del percorso riabilitativo, metodi e strumenti per la misurazione dell’outcome
e del rapporto costi/benefici.
• La terza linea riguarda il networking tra i ricercatori nel
settore delle tecnologie di ausilio, sia a livello nazionale
(attraverso le reti SIVA dei Servizi Informazione e Valutazione Ausili della Fondazione Don Gnocchi e GLIC dei
Centri Ausili italiani) che internazionale (attraverso le reti
AAATE – Association for the Advancement of Assistive
Technology in Europe – ed EASTIN (European Assistive
Technology Information Network). Momento centrale di
questa linea di lavoro è stato il Workshop Internazionale
sul tema “Service Delivery System on Assistive Technology in Europe”, organizzato a Copenhagen il 21-22 maggio,
dal quale è scaturita (attraverso un processo di consenso
coordinato dal responsabile di questa ricerca) una position
paper europea che fornisce indicazioni sui criteri per la modernizzazione dei sistemi pubblici di assistenza protesica
alla luce del modello ICF dell’Organizzazione Mondiale della Sanità e della Convenzione ONU sui diritti delle persone
con disabilità.
Ricerca corrente

67
Linea di Ricerca 1
• La quarta linea ha riguardato lo sviluppo e l’applicazione
sperimentale di nuovi strumenti per la valutazione dell’efficacia percepita degli ausili. In sinergia con la ricerca europea SRS (Shadow Robotic System for Independent Living), coordinata dall’Università di Cardiff (GB) nell’ambito
del 7° Programma Quadro europeo di ricerca e sviluppo, è
stata sperimentata su dispositivi robotici l’applicazione di
strumenti di analisi costi-risultati già messi a punto negli
anni precedenti, in particolare lo SCAI (Siva Cost Analysis
Instrument); in sinergia con la ricerca INNO-MED dell’Osservatorio Biomedicale Veneto è stata messa a punto
la versione italiana di uno strumento per la valutazione
dell’efficacia di ausili per la mobilità (FABS/M – Facilitators
and Barriers Survey / Mobility).
• La quinta riguarda infine la produzione di contenuti informativi per l’aggiornamento costante del Portale SIVA, e
conseguentemente del Portale Europeo EASTIN. Questa
attività ha comportato l’analisi sistematica dell’evoluzione
dell’offerta del mercato e intense consultazioni con le aziende produttrici e distributrici. Attenzione particolare è stata
dedicata alle applicazioni software (Apps) per i dispositivi
mobili con sistema operativo IOS e Android, un nuovo mercato in rapidissima evoluzione che sta iniziando a offrire valide e inedite soluzioni di ausilio per persone con disabilità.
Ricerca corrente
Prodotti scientifici
68
Materiale didattico:
–– Il risultato principale dell’attività è la produzione di informazione approfondita e aggiornata sugli ausili presenti sul
mercato italiano e pubblicata sul Portale SIVA. Nel corso
dell’anno sono state inserite e aggiornate 924 schedeprodotto (104 ausili per trattamenti terapeutici personali,
27 protesi od ortesi, 111 ausili per la cura personale, 323
ausili per la mobilità, 16 ausili per la cura della casa, 87
ausili per l’adattamento della casa, 205 ausili per comunicazione e informazione, 19 ausili per manovrare oggetti o
dispositivi, 23 ausili per lo sport e il tempo libero).
–– Sono state inoltre inserite e aggiornate 113 schede-azienda
relative ad aziende produttrici e distributrici italiane e circa
altrettante straniere, e 64 schede biblioteca relative al materiale didattico prodotto nel corso dell’anno, nell’ambito

del Corso di Perfezionamento Universitario “Tecnologie
per l’Autonomia e l’Inclusione delle persone con disabilità”
(svolto in collaborazione con l’Università Cattolica di Milano,
Facoltà di Scienze della Formazione) e dei Seminari Mensili
online di aggiornamento per gli operatori del settore.
Linee Guida:
–– AA.VV. (ed Andrich R): Service Delivery Systems for Assistive Technology in Europe. AAATE/EASTIN Position
Paper, 2012. http://www.aaate.net/sites/default/files/ATServiceDelivery_PositionPaper.pdf. Traduz. italiana Sistemi di Assistenza Protesica in Europa: indicazioni e proposte. Documento programmatico http://portale.siva.it/files/
a416_1_ATServiceDelivery_PositionPaper_IT.pdf.
–– Andrich R, Caracciolo A, Gower V. Modello SIVA per la
Relazione di Valutazione Ausili. Portale SIVA, 2012. http://
portale.siva.it/bancadati/biblioteca/SchedaBiblioteca.
asp?IDBiblioteca=306.
Pubblicazioni indicizzate:
–– Raggi A, Albanesi F, Gatti V, Andrich R, Leonardi M (2012):
Detecting changes following the provision of assistive devices: utility of the WHO-DAS II. Int Journal Rehabilitation
Research 33(4) 2012: 306-310.
Altre pubblicazioni:
–– Salatino C. Analisi dell’efficienza degli ausili, esperienze e
metodi. In: Storelli S, Petrone N, Andrich R. Dialogo nel
medicale, un percorso sperimentale per la valutazione
dell’appropriatezza. Osservatorio Biomedicale Veneto, Padova 2012.
–– Andrich R, Gower V, Vincenti S. Information Needs Related to ICT-based Assistive Solutions. In: Miesenberger K,
Karshmer A, Penaz P, Zegler W: Computers helping people with special needs. pp. 207-217. Springer, 2012. http://
link.springer.com/chapter/10.1007/978-3-642-31522-0_31.
–– Mast M, Burmester M, Krüger K, Fatikow S, Arbeiter G,
Graf B, Kronreif G, Pigini L, Facal D, Qiu R. User-Centered
Design of a Dynamic – Autonomy Remote Interaction Concept for Manipulation – Capable Robots to Assist Elderly
People in the Home. Journal of Human Robot Interaction
1:1 (2012). http://humanrobotinteraction.org/journal/index.
php/HRI/article/view/19.

Background
L’Energia Vibratoria (EV) è stata utilizzata in alcune condizioni
patologiche secondo protocolli molto vari e non standardizzati. Ciò ha portato alla pubblicazione di dati differenti e non
consolidati. Partendo da questa considerazione, derivata da
un’attenta analisi della letteratura, abbiamo pensato di studiare gli effetti dell’EV sulla performance motoria di un campione
di soggetti sani, presupposto essenziale per comprendere gli
effetti e i meccanismi prodotti dall’EV sul muscolo o sul sistema nervoso centrale-periferico in condizioni patologiche.
La possibilità di intervento che si apre sull’attività elettrica cerebrale, mediante tecniche totalmente non invasive di neuromodulazione, permette di ottenere risultati positivi dal loro
utilizzo a sostegno del recupero sensori-motorio dopo l’ictus.
Una serie di evidenze hanno indicato la stimolazione transcranica diretta a corrente continua (tDCS) quale strumento capace di migliorare l’efficacia delle terapie riabilitative.
Gli interventi di artroprotesi di anca (APA) o artroprotesi di
ginocchio (APG) causano un’alterazione propriocettiva e sensitiva dell’arto operato, il paziente non ha una buona propriocezione dell’articolazione operata e questo determina l’arrivo
di informazioni sensitive-sensoriali abnormi a livello corticale
che interferendo con le vicinissime vie del dolore possono
diventare focolai irritativi responsabili di dolore neuropatico
e soprattutto portare a vizi e zoppie della deambulazione.
Obiettivi
Rispetto alle proposte iniziali abbiamo deciso di studiare
gli effetti dell’energia vibratoria sulla performance motoria
dell’arto superiore di un campione di soggetti sani (Studio 1);
valutare l’efficacia delle tDCS versus trattamento riabilitativo
convenzionale nel recupero di task fini motori in soggetti con
esiti di ictus cerebri. In corso di studio abbiamo deciso di
inserire un terzo gruppo di trattamento che sarà sottoposto
a riabilitazione robotica (Studio 2);
valutare l’efficacia della riabilitazione propriocettiva (mediante pedane propriocettive) versus trattamento riabilitativo
convenzionale nel recupero della performance motoria, nel
dolore e nello schema del passo in pazienti sottoposti ad
APA o APG (Studio 3).
Metodi
Studio 1. Sono stati inclusi nello studio 30 soggetti sani (età
media 34,8; SD 9,8). Tutti i soggetti sono stati divisi in maniera
casuale in tre gruppi: 1) gruppo sottoposto a trattamento vibratorio con il dispositivo EVM (Endomedica) prima della valutazione cinematica con braccio robotico (MJS 403, Tecnobody)
(TG); 2) gruppo di controllo che ha eseguito solo la valutazione
cinematica con MJS (CG); 3) gruppo sham, sottoposto a trattamento vibratorio sham, prima della valutazione cinematica
con MJS. Nel gruppo di trattamento (TG), l’EV è stata erogata
a 100 Hz e a 200 Hz tramite appositi trasduttori posizionati sui
muscoli: deltoide, pettorale e bicipite brachiale. Il trattamento
è stato ripetuto per tre giorni consecutivi. La valutazione con
MJS è stata effettuata al T0 (baseline), dopo ogni trattamento
(T1, T2 e T3) e a distanza di 10 giorni dall’ultimo trattamento
(T10). Durante gli esercizi è stata registrata l’attività muscolare
tramite elettromiografia di superficie (FreeEMG, BTS).
Studio 2. In questa fase è stato messo a punto un nuovo
protocollo di valutazione biomeccanica dell’arto superiore; al
momento sono stati reclutati soggetti di controllo (8 soggetti
sani) ed è iniziato il reclutamento dei pazienti. Lo studio prevede di reclutare 30 soggetti in esito di ictus di tipo ischemico entro 180 giorni dall’evento.
Criteri di inclusione: emiparesi; capacità di comprendere ed
eseguire semplici istruzioni; capacità di eseguire attivamente
dei movimenti. Criteri di esclusione: emiparesi flaccida; deficit cognitivi; incapacità di fornire un consenso informato. I
pazienti saranno assegnati a uno dei tre protocolli riabilitativi:
1.terapia standard (ST);
2.ST + robotica;
3.ST + neuro modulazione con tDCS.
Il trattamento riabilitativo verrà effettuato per 2 mesi: 5 giorni a settimana per tre sessioni al giorno da 40 minuti ciascuna, allo stesso modo per i tre gruppi.
La sessione di tDCS avrà una durata di 40 minuti. Per la stimo-
Ricerca corrente
Riabilitazione tecnologica: nuove tecniche
riabilitative che agiscono sulla plasticità cerebrale
mediante stimolazione periferica (energia
vibratoria e pedane propriocettive) o stimolazione
transcranica (stimolazione elettrica continua)
Responsabile: Aprile Irene Giovanna
Linea di Ricerca 1
69
Linea di Ricerca 1

lazione verrà utilizzato un elettrodo posto sulle regioni frontali
prerolandiche, in area motoria primaria M1 dal lato cerebrale
leso. L’altro elettrodo verrà posto, secondo tecniche di posizionamento “cefalica”, in corrispondenza dell’area sopra-orbitale
controlaterale. La stimolazione sarà effettuata in modo anodico.
Il trattamento robotico verrà eseguito mediante MJS 403.
I pazienti saranno sottoposti prima e dopo trattamento a:
• valutazione clinica (scale di Wolf, che permette una valutazione funzionale dell’arto superiore ed è stata validata nel
pazienti con Stroke);
• valutazione mediante sistema di analisi del movimento
(SMART D500, BTS).
Studio 3. Sono stati reclutati 73 pazienti di cui 47 sottoposti a
intervento di APA (età media 68,3 e SD 10,2) e 26 sottoposti
a intervento di APG (età media 69,1 e SD 7,8).
Criteri di inclusione: pazienti affetti da esiti di primo intervento di APA o di APG e con funzioni cognitive integre (MMSE
≥24), in età compresa tra 18 e 90 anni.
Criteri di esclusione: pazienti con artroprotesi contro laterali;
pazienti con disturbi dell’equilibrio di natura neurologica centrale o periferica; pazienti con disturbi della vista o deterioramento delle funzioni cognitive; pazienti senza concessione
al carico.
I pazienti arruolati sono stati randomizzati in 2 gruppi: Gruppo sottoposto a riabilitazione convenzionale + riabilitazione
propriocettiva tecnologica (ST + tecnologica) e Gruppo sottoposto a riabilitazione convenzionale (ST).
In tutti i pazienti sono stati raccolti:
• dati anamnestici;
• valutazione patient-oriented (SF-36);
• valutazione del dolore all’arto inferiore mediante NRS, DN4
e Roland;
• valutazione dei parametri stabilometrici e dinamici su pedana bipodalica propriocettiva a T0 e T1.
Le scale cliniche utilizzate sono state: Hip Harris Score per
l’anca e IKS per il ginocchio.
RELAZIONE ATTIVITÀ
Studio 1
I dati preliminari sono stati ottenuti mediante analisi statistica effettuata tramite il test di comparazione appaiata di Wilcoxon tra le misure ottenute al T0 e quelle ottenute al T10
nei soggetti trattati e nei soggetti di controllo. La vibrazione
a 200 Hz mostra nei soggetti trattati un incremento significativo della accelerazione massima raggiunta dal muscolo
deltoide e dal muscolo pettorale, e un trend di incremento
(senza raggiungere la significatività statistica) della accelerazione massima raggiunta dal muscolo bicipite e della velocità massima raggiunta dal m. deltoide (Tab. 1). Non sono
state registrate variazioni significative nello stesso gruppo
di soggetti dopo trattamento con energia vibratoria a 100
Tab. 1 – Gruppo trattato con vibrazione a 200 Hz
Test Camp. App. di Wilcoxon (DB vibraz T0_T10)
Test marcati significativi liv. p<,05000
Ricerca corrente
Coppie di variabili
70
N validi
T
Z
p-level
Velocità MAX – m. deltoide & velocità MAX – m. deltoide
9
6,00000
1,954751
0,050613
Accelerazione MAX – m. deltoide & accelerazione MAX – m. deltoide
9
2,00000
2,240448
0,025063
Velocità MAX – m. pettorale & velocità MAX – m. pettorale
9
10,00000
1,480872
0,138642
Accelerazione MAX – m. pettorale & accelerazione MAX – m. pettorale
9
0,00000
2,366432
0,017961
Velocità MAX – m. bicipite & velocità MAX – m. bicipite
9
12,00000
1,243933
0,213525
Accelerazione MAX – m. bicipite & accelerazione MAX – m. bicipite
9
6,00000
1,954751
0,050613
Linea di Ricerca 1
Hz. Anche nel gruppo di controllo non sono state riscontrate
variazioni significative.
Studio 2
Nella prima fase dello studio abbiamo messo a punto un
nuovo protocollo per l’analisi del movimento dell’arto superiore nello stroke (Fig. 1) in collaborazione con il Polo Tecnologico della FDG di Milano che rappresenta una evoluzione
di un protocollo focalilzzato sullo studio della mano e pubbli-
300
200
100
-100
-200
-300
Fig.1
-300
-200
-100
0
100
200
300
400
N uovo protocol l o di anal i si del l ’arto super ior e
Ricerca corrente
0
ENDI84_Compenso Spalla.tdf
71
Linea di Ricerca 1

cato dallo stesso gruppo (Carpinella et al., 2012). Sono stati
valutati 8 soggetti sani (5 donne e 3 uomini di età media pari
a 71±10,6 anni). Il protocollo permette di valutare i movimenti di collo, spalle, tronco e mano durante attività quotidiane di reaching e grasping nei pazienti con stroke (bere da
un bicchiere con dell’acqua, rispondere al telefono, spostare
un piatto con del cibo utilizzando entrambe le braccia.
Studio 3
Dei 73 pazienti inizialmente reclutati, 51 sono stati valutati
anche al termine del trattamento riabilitativo, di cui 34 sottoposti a intervento di APA e 17 sottoposti a intervento di APG.
La propriocezione dei pazienti è stata valutata usando la peda-
na propriocettiva in due differenti modalità: statica e dinamica.
La valutazione statica è stata effettuata sia a occhi aperti che a
occhi chiusi. I principali parametri rilevati nella valutazione statica sono stati: Centro di Pressione-CoP (perimetro e area), velocità A-P e M-L. I risultati ottenuti a occhi aperti sono mostrati
nella Tab. 2 (quelli a occhi chiusi sono in corso di analisi). La
valutazione in modalità dinamica è stata effettuata rendendo
la pedana instabile con uno smorzamento variabile in funzione
del peso del paziente; sono stati eseguiti esercizi da cui sono
stati rilevati i seguenti parametri: Average Trace Error (ATE%)
e indici di stabilità e di precisione durante il movimento.
L’analisi statistica dei risultati è in corso.
Tab. 2 – Riabilitazione standard VS riabilitazione tecnologica a T0 e a T1
ST
T0
ST+ tecnologica
APG
APA
APG
APA
Casi
10
16
16
31
Età
70,6 (6,7)
68,5 (10,3)
68,3 (8,5)
68,1 (10,4)
Area
377,8 (153,5)
310,6 (168,6)
291,7 (137,2)
318.8 (186,4)
Perimetro
487,7 (206,2)
421,3 (93,9)
477,3 (206,9)
485,4 (204,5)
Velocità A-P
12,2 (6,2)
10,6 (3,0)
11,4 (4,8)
11,3 (4,4)
Velocità M-L
9,2 (2,7)
7,0 (1,6)
8,8 (4,9)
9,3 (4,9)
ST
Ricerca corrente
T1
72
ST+ tecnologica
APG
APA
APG
APA
Casi
7
10
10
24
Età
71,9 (5,6)
65,2 (11,2)
72,6 (5,0)
64,1 (12,3)
Area
206,6 (164,6)
370,5 (219,8)
347,1 (202,8)
257,6 (181,9)
Perimetro
429,1 (192,9)
368,6 (144,6)
454,6 (105,3)
373,3 (131,9)
Velocità A-P
10,6 (5,3)
9,0 (1,9)
10,6 (3,0)
9,5 (3,6)
Velocità M-L
7,7 (3,4)
7,6 (2,3)
7,9 (1,9)
7,4 (3,6)

Indirizzi per l’applicazione nei luoghi di lavoro
di misure preventive per l’obiettivo della massima
tutela della sicurezza e della salute dei soggetti
disabili o fragili, nella fase del loro inserimento
e nell’espletamento della mansione cui sono adibiti
Responsabile: Occhipinti Enrico
Background
I lavoratori affetti da patologie muscoloscheletriche lavorative (WMSDs), per le quali anche l’Italia ha assai recentemente adeguato la sua normativa, risultano “disabili” (o portatori
di “ridotte capacità lavorative”) in percentuali diversificate, a
volte anche di entità elevata specie in relazione agli specifici
compiti lavorativi cui sono addetti. A oggi sono ancora molto
limitate le esperienze e gli studi nazionali o internazionali di
valutazione della proficua ricollocazione lavorativa di tali soggetti e, più che altro, sono ancora carenti specifici metodi,
criteri e strumenti di analisi tanto delle richieste funzionali
del lavoro per l’apparato muscoloscheletrico (per esempio in
termini di forza o di motilità articolare) che delle capacità funzionali residue dei soggetti: tali aspetti sono di fondamentale
importanza per ricollocare adeguatamente questi lavoratori
salvaguardandone i livelli residui di salute in un contesto di
lavoro ancora proficuo.
Obiettivi
Sviluppare, con riferimento ai soggetti portatori di patologie
degenerative muscoloscheletriche e osteoarticolari a possibile genesi professionale (WMSDs), tecniche di analisi della
capacità funzionale richiesta dal lavoro, a partire da metodi
osservazionali già esistenti di valutazione dei rischi per la
generalità della popolazione lavorativa (indice OCRA, Niosh
Lifting Index, tavole dei dati psicofisici, indice MAPO). Particolare attenzione sarà posta allo sviluppo di analisi del rischio
laddove si presentino compiti manuali multipli in rotazione
fra loro, anche non giornaliera.
Metodi
1.analisi della letteratura e la valutazione di esperienze internazionali sull’argomento (tra cui quelle condotte dalla
stessa unità proponente);
2.consolidare metodiche e tecniche di valutazione finalizzate
al reinserimento lavorativo di soggetti con ridotte capacità
Ricerca corrente
Prodotti scientifici
–– Padua L, Aprile I, Cecchi F, Molino Lova R, Arezzo MF,
Pazzaglia C. Don Carlo Gnocchi Pain-Rehab Group (2012).
Pain in Postsurgical Orthopedic Rehabilitation: A Multicenter Study. Pain Medicine, vol. 13, p. 769-776.
–– Caliandro P, Celletti C, Padua L, Minciotti I, Russo G, Granata G, La Torre G, Granieri E, Camerota F. Focal muscle
vibration in the treatment of upper limb spasticity: a pilot
randomized controlled trial in patients with chronic stroke. Arch Phys Med Rehabil. 2012 Sep; 93(9):1656-61. doi:
10.1016/j.apmr.2012.04.002. Epub 2012 Apr 13.
–– Aprile I, Rizzo RS, Romanini E, De Santis F, Marsan S, Rinaldi G, Padua L (2011). Group rehabilitation versus individual rehabilitation following knee and hip replacement:
a pilot study with randomized, single-blind, cross-over
design. European Journal Of Physical And Rehabilitation
Medicine, vol. 47, p. 551-559.
–– Celletti C, Camerota F. Preliminary evidence of focal muscle vibration effects on spasticity due to cerebral palsy in a small sample of Italian children. Clin Ter. 2011;
162(5):e125-8.
–– Di Sipio E, Aprile I, Minciotti I, Simbolotti C, Russo G, Camerota F, Celletti C, Padua L. Evaluation of the effect of
sound vibrational energy (at different frequencies) in the
motor performance of upper limb. Abstract presentato al
congresso Siamoc 2012 come poster.
Linea di Ricerca 1
73
Linea di Ricerca 1
Ricerca corrente
funzionali dell’apparato locomotore derivanti da malattie
muscoloscheletriche professionali a partire da metodi già
esistenti di valutazione dei rischi (in particolare di interesse
dell’ergonomia) in gran parte già messe a punto e sperimentate dall’unità proponente, come OCRA, Niosh Lifting
Index, MAPO ecc.;
3.conversione delle stesse per gli specifici fini di oggettivare
non un rischio ma più semplicemente una richiesta di prestazioni per l’apparato locomotore;
4.applicazione di metodi strumentali dedicati (EMG di superficie ed elaborazione secondo criteri di EMG vocazionale);
5.applicazione delle tecniche per il reinserimento di soggetti
con WMSDs in una casistica concreta.
74

RELAZIONE ATTIVITÀ
ti esperienze in materia, criteri di lettura delle metodiche
che fossero in grado anche di garantire una “ragionevole”
protezione anche a soggetti “più fragili” in quanto portatori di patologie MSD;
3.aspetti legati a condizioni in cui il lavoro manuale è complesso e variabile presentando anche variazioni di contenuto tra giornata e giornata;
4.aspetti legati a condizioni organizzative (ritmi, pause, rotazioni tra compiti a diverso impegno, lavoro part-time) che
grandemente possono influenzare la “tollerabilità”, presso diversi soggetti, di una determinata esposizione.
È stata inoltre condotta l’applicazione pratica su una casistica selezionata.
È stata approntata la prima bozza della relazione di sintesi del
progetto (consegna prevista per giugno 2013).
Attività svolte e risultati ottenuti:
Nel periodo in questione, tutte le principali metodiche indicate sono state riverificate con l’intento di valorizzare almeno
tre aspetti di analisi:
1.aspetti di capacità e tollerabilità “individuale” dei diversi
livelli di esposizione con particolare riferimento a percentili
diversi di diverse fasce della popolazione lavorativa;
2.sono stati al proposito ipotizzati, sulla scorta della letteratura, di linee guida internazionali e nazionali e di preceden-
–– Colombini D, Occhipinti E. Sviluppo di strumenti valutativi
semplici per la individuazione delle sorgenti di rischio lavorativo e la prevenzione dei disturbi muscolo scheletrici: esperienze di applicazione nel lavoro artigianale e nella piccola
impresa. Medicina del Lavoro, 102, 1, intero volume, 2011.
–– Occhipinti E, Colombini D. Dalla complessità alla semplificazione: il contributo dell’unità di ricerca epm a un toolkit
per la valutazione e gestione del rischio da sovraccarico
Prodotti scientifici

Stretching, esercizio muscolare e riabilitazione.
Analisi dei determinanti della riduzione di forza
massimale indotta dallo stretching
Responsabile: Veicsteinas Arsenio
Background
L’allungamento dell’unità muscolo-tendinea (stretching) è
una pratica usata diffusamente in ambito sportivo e in riabilitazione. Diverse sono le modalità di somministrazione, tra
cui lo stretching attivo, lo stretching passivo, la facilitazione
neuromuscolare propriocettiva ecc. In particolare, è opinione
corrente degli operatori (preparatori atletici, allenatori e fisioterapisti) che lo stretching passivo provochi:
1. aumento dell’escursione articolare;
2. riduzione dell’incidenza degli infortuni a livello muscolare
e articolare;
3. miglioramento della massima prestazione di forza e di potenza muscolare.
Mentre le evidenze della letteratura scientifica sono concordanti per il primo effetto, per il secondo vi sono dati contrastanti. Per quanto riguarda il terzo effetto, la maggior parte
degli studi evidenzia al contrario un effetto deprimente sulla
massima forza e potenza muscolare, sia sviluppate durante
contrazioni volontarie, sia stimolate.
I meccanismi alla base della riduzione della forza massimale
dopo somministrazione di stretching passivo, secondo dati
nostri e di altri, sono duplici e dipendenti:
a. da una inibizione centrale a livello del motoneurone indotta
dall’allungamento attraverso un meccanismo di feedback
propriocettivo; e
b. da una modificazione della rigidità dell’unità muscolo-tendinea, con conseguente alterazione del rapporto tensione/
lunghezza a livello sarcomerale e della trasmissione della
forza a livello dell’inserzione tendinea.
Queste modificazioni possono persistere anche diverse ore
dopo applicazione della manovra.
Infine, mentre gli effetti dello stretching sulla massima prestazione anaerobica alattacida sono stati studiati ampiamente, pochissimi sono gli studi sugli effetti di tale manovra sulla
massima prestazione aerobica. Durante esercizio al cicloergometro, inoltre, la riduzione della massima forza e della rigi-
Ricerca corrente
meccanico e la prevenzione dei WMSDs. Medicina del Lavoro, 102, 2, 174-192, 2011.
–– Menoni O, Battevi N, Cairoli S. Il metodo MAPO per l’analisi e la prevenzione del rischio da movimentazione pazienti. Milano: Franco Angeli Editore, 2011.
–– Colombini D, Occhipinti E, Alvarez-Casado E, Waters T.
Manual lifting: a guide to the study of simple and complex
lifting tasks. CRC Press. Taylor and Francis Group. Boca
Raton and New York (US). July 2012.
Linea di Ricerca 1
75
Linea di Ricerca 1
dità muscolare potrebbero influire sulla trasmissione di forza
a livello dei pedali, riducendo l’efficienza di un esercizio a
carico costante.
Tutti questi effetti, se dimostrati, potrebbero far considerare
con maggiore cautela l’utilizzo dello stretching prima di una
prestazione neuromuscolare di intensità media/elevata, sia
essa in ambito sportivo, sia in ambito riabilitativo, ove la produzione di acido lattico riveste certamente un suo ruolo nella
produzione energetica.
Di rilevo, tra i vari utilizzi dello stretching passivo vi è anche
quello di velocizzare il recupero della fatica e di favorire l’eliminazione del lattato dalle cellule muscolari e dal sangue. Tuttavia, analogamente allo stretching, uno studio recente avrebbe
dimostrato che il massaggio sportivo, di tipo profondo, non
migliora ma addirittura rallenta l’eliminazione di lattato.
L’utilizzo di un approccio combinato di elettromiografia di
superficie (EMG) e di meccanomiografia (MMG) permette
di ricavare importanti informazioni sugli aspetti elettrici e
meccanici della contrazione muscolare. Questa tecnica, da
noi già ampiamente utilizzata, infatti permette di analizzare,
oltre alla risposta elettrica, anche la risposta meccanica del
muscolo nello stesso punto di rilevamento della sua attività
elettrica, a monte quindi della catena articolare e ben si presta per uno studio approfondito della risposta del muscolo
all’esercizio.
Ricerca corrente
Obiettivi
76
Proseguendo con studi precedenti, gli obiettivi perseguiti nel
2012 sono stati principalmente due:
1. valutare l’effetto dello stretching passivo sulla massima
prestazione aerobica e sull’efficienza meccanica dell’esercizio durante test al cicloergometro;
2. determinare gli effetti dello stretching passivo sulla cinetica del lattato alla fine di un esercizio di elevata intensità,
paragonandoli al recupero senza alcuna manovra aggiuntiva; con massaggio muscolare superficiale; e con massaggio profondo.
Metodi
Sono stati reclutati 40 soggetti sani di sesso maschile e di
età compresa tra i 20 e i 25 anni. Alcuni hanno partecipato al
primo studio (effetto stretching su prestazione aerobica) altri

al secondo (effetto dello stretching sulla cinetica del lattato
post-esercizio). Il primo studio ha previsto un test incrementale con carichi a onda quadra al cicloergometro per determinare la massima potenza aerobica (V’O2 max), in giorni
diversi con e senza stretching. Sempre in giorni diversi, gli
stessi soggetti hanno svolto un esercizio costante all’85%
V’O2 max fino a esaurimento, con e senza stretching, per
determinare l’efficienza dell’esercizio. Durante i test le variabili cardiorespiratorie e metaboliche sono state determinate con un metabolimetro respiro per respiro. Il secondo
studio ha visto i soggetti effettuare un esercizio di 8 minuti
al cicloergometro al 90% V’O2 max. Successivamente, in 5
occasioni diverse, i soggetti sono stati sottoposti a:
1. recupero attivo;
2. recupero passivo;
3. stretching passivo;
4. massaggio superficiale;
5. massaggio profondo.
Tutti della durata di 10 minuti, in ordine casuale. Durante le 5
modalità di recupero, il lattato ematico è stato prelevato dal
lobo dell’orecchio ogni minuto.
RELAZIONE ATTIVITÀ
Dal primo studio è emerso che lo stretching non altera la
massima potenza aerobica. Infatti, i valori medi di V’O2 max
con stretching sono risultati non significativamente diversi
da quelli senza stretching. L’efficienza dell’esercizio, invece,
è risultata significativamente inferiore con stretching. Infatti,
a parità di carico il V’O2 era significativamente maggiore con
stretching, suggerendo che tale manovra induca delle alterazioni a carico dell’unità muscolo-tendinea e dello schema
di attivazione delle unità motorie che portano a un maggior
dispendio energetico.
Dal secondo studio è emerso che l’unica modalità che riesca a velocizzare la cinetica di eliminazione del lattato dopo
esercizio di intensità elevata è il recupero attivo. Stretching
passivo, massaggio superficiale e profondo infatti hanno evidenziato cinetiche di lattato durante il recupero non significativamente diverse tra loro e dal recupero passivo. Tale
risultato suggerisce che l’uso di stretching e di massaggio
superficiale non abbia un fondamento scientifico nel favori-

Prodotti scientifici
–– Cè E, Limonta E, Maggioni MA, Rampichini S, Veicsteinas
A, Esposito F. Stretching and deep and superficial massage do not influence blood lactate levels after heavy-intensity cycle exercise. J Sports Sci. 2012 Dec 21 [Epub ahead
of print]. PubMed PMID: 23256711.
–– Cè E, Rampichini S, Agnello L, Limonta E, Veicsteinas A,
Esposito F. Combined effects of fatigue and temperature
manipulation on skeletal muscle electrical and mechanical characteristics during isometric contraction. J Electromyogr Kinesiol. 2012 Jun; 22(3):348-55. doi: 10.1016/j.
jelekin.2012.01.012. Epub 2012 Feb 20. PubMed PMID:
22353336.
–– Esposito F, Cè E, Limonta E. Cycling efficiency and time
to exhaustion are reduced after acute passive stretching
administration. Scand J Med Sci Sports. 2012 Dec;
22(6):737-45. doi: 10.1111/j.1600-0838.2011.01327.x.
Epub 2011 May 12. PubMed PMID: 21564308.
–– Esposito F, Cè E, Rampichini S, Limonta E, Veicsteinas A.
Effects of fatigue on electromechanical delay in human
skeletal muscle: new insights from an electromyographic
and mechanomyographic combined approach. Experimental Biology, San Diego (USA).
Stroke e Funzione: dalla neurobiochimica
mediante studio del BDNF alla tecnologia
mediante valutazione integrata con sistema
robotico, realtà virtuale e analisi optocinetica
del reaching task
Responsabile: Aprile Irene Giovanna
Background
Il dolore post-Stroke è una condizione clinica derivante
da alterazioni a carico delle vie del dolore in conseguenza
dell’evento ictale. Il dolore post-Stroke è disabilitante e coinvolge circa l’8%-14% dei pazienti (Kumar, 2009). Alcuni studi si sono focalizzati sullo studio del dolore post-stroke alla
spalla (Roosink, 2011) o sulla relazione tra sintomi sensitivi
e dolore (Klit, Pain 2011) ma l’argomento è ancora oggetto di dibattito. A seguito di un evento ischemico si attivano
processi di reazione che producono cambiamenti nelle aree
cerebrali di proiezione che sono risparmiate dal processo patologico. Queste sono spesso associate a un miglioramento
della funzione persa (adattative), ma possono essere osservate anche in relazione a un peggioramento delle abilità funzionali (maladattativa). A livello neurobiologico, la plasticità
sinaptica è controllata da un bilancio tra fattori facilitatori
quali BDNF (Brain-Derived Neurotrophic Factor) e inibitori.
Circa il 65% dei soggetti affetti da Stroke a sei mesi
dall’evento presenta un marcato deficit dell’arto superiore
con impossibilità funzionale e riduzione delle capacità di utilizzo dell’arto superiore nelle attività di vita quotidiana (Kwakkel, 2003). Le misure di outcome utilizzate e la metodologia
di valutazione della funzione motoria dell’arto superiore è
spesso il limite di numerosi studi pubblicati sulla efficacia
dei trattamenti riabilitativi. Mentre infatti una vasta letteratura ha permesso già di standardizzare l’analisi del movimento
dell’arto inferiore, non ci sono studi che hanno standardizzato l’analisi del movimento dell’arto superiore.
Obiettivi
Gli obiettivi sono valutare:
1.l’incidenza, le caratteristiche e l’impatto del dolore poststroke sul trattamento riabilitativo (studio 1);
2.il valore prognostico del dosaggio del BDNF, misurandolo
in acuto, e il valore predittivo del BDNF in relazione al re-
Ricerca corrente
re l’eliminazione del lattato e di velocizzare il recupero dopo
uno sforzo strenuo.
Linea di Ricerca 1
77
Linea di Ricerca 1
cupero del movimento, dosandolo prima e dopo il trattamento riabilitativo (studio 2);
3.la standardizzazione del movimento di reaching task nel
soggetto sano (mediante sistema robotico, optoelettronico e realtà virtuale) e la valutazione del movimento di
reaching task nei soggetti affetti da stroke (studio 3).
Ricerca corrente
Metodi
78
Studio 1 e studio 2: lo studio, pensato come bicentrico, è
stato convertito in uno studio multicentrico della Fondazione. Il dolore è stato valutato mediante somministrazione dei
seguenti questionari: a) DN4, b) NPSI, c) NRS; mediante un
modulo ad hoc è stato esaminato l’impatto del dolore sul
percorso riabilitativo. Inoltre scale di valutazione della funzione clinica (NIHSS, Trunk Control Test, Motricity Index,
Ashworth, Barthel Index e Deambulation Index), della depressione (Beck Depression Scale) e della qualità della vita
(SF-36) sono state somministrate.
Studio 3: la valutazione robotica del movimento di reaching è
stata eseguita (mediante il Sistema Robotico per l’arto superiore MJS, Tecnobody) prima e dopo riabilitazione. Il modello
di valutazione proposto include 5 gradi di libertà che definiscono la cinematica della spalla e del gomito. Alla spalla
i tre gradi di libertà sono elevazione anteriore, abduzioneadduzione toraco-omerale e rotazione della spalla. Il gomito
è definito dalla flessione e rotazione dell’avambraccio. Sul
braccio robotico ai soggetti/pazienti è stato chiesto di effettuare semplici movimenti da interpretarsi come movimenti
segmentali del movimento complesso di reaching.
Negli ultimi mesi l’analisi robotica è stata integrata con
l’analisi del movimento. La valutazione della performance
motoria è stata effettuata utilizzando il sistema di analisi del
movimento Smart D500 (BTS, Italia) costituito da 8 telecamere a infrarossi e il sistema di elettromiografia di superficie
(sEMG) FreeEMG300 (BTS, Italia) a 8 canali.
La valutazione del movimento di reaching mediante realtà
virtuale verrà condotta nei prossimi mesi utilizzando il sistema Nirvana, uno strumento per la riabilitazione neuromotoria
di pazienti con deficit sensori-motorio agli arti superiori e inferiori in grado di creare ambienti virtuali con i quali il soggetto/paziente può interagire attraverso il semplice movimento.

In questo ambiente virtuale il soggetto/paziente effettua una
sessione di esercizi di tipologia “hunt” con gli arti superiori;
in questa tipologia di esercizi il soggetto dovrà raggiungere
(movimento di reaching) elementi che compaiono casualmente, per un tempo limitato, sulla superficie (parete). Se il
soggetto riesce a colpire l’elemento target entro un determinato tempo si innesca una trasformazione visiva abbinata a
un feedback acustico, altrimenti l’elemento scompare.
L’analisi statistica verrà eseguita mediante il programma
STAT/SOFT, test non parametrici saranno utilizzate per la valutazione delle misure ordinali e test parametrici per l’analisi
di misure continue.
RELAZIONE ATTIVITÀ
Studio 1
Sono stati reclutati 121 pazienti ricoverati per eseguire ciclo
di riabilitazione neuromotoria da almeno 1 settimana, il 55%
dei quali maschi, di età media pari a 70,9 anni (range 32-91
anni, SD 13,0) affetti da stroke in fase acuta, subacuta, o cronica. Il 92,3% dei pazienti era ricoverato (il 43,2% provenienti dal reparto post-acuti per riabilitazione intensiva, il 49,2%
per riabilitazione estensiva), il 4,2% dei pazienti era in regime di Day Hospital mentre il 3,4% dei pazienti era in regime
ambulatoriale. In relazione alla fase post-stroke, il 34,3% dei
pazienti era in fase acuta, il 46,3% in fase sub-acuta mentre
il 19,4% in fase cronica. Per quanto riguarda il tipo di stroke,
il 70,7% dei casi presentava uno stroke ischemico e il 29,3%
uno stroke di tipo emorragico. L’intensità del dolore dell’intera popolazione secondo la Numeric Rating Scale aveva
un valore medio di 1,5/10 (SD: 2,7). Globalmente il 70,8%
dei pazienti non aveva dolore (NRS=0), il 3,8% aveva una
NRS=2 e il 25,5% dei pazienti lamentava almeno un dolore
moderato (≥3 NRS). Sulla base del DN4, il 6,6% dell’intero
campione lamentava un dolore neuropatico. Prendendo in
considerazione solo il 25,5% del campione che presentava
una NRS pari a 3 e il 9% dei pazienti che lamentavano dolore
durante la riabilitazione abbiamo osservato che nel 68,4%
dei casi il dolore non era costante, nel 33,3% il dolore era
prevalentemente notturno e nel 47,1% dei casi il dolore disturbava il sonno notturno. Il 90% dei pazienti lamentava un
peggioramento del dolore durante movimenti attivi/passivi.

Fig. 1
Nuovo protocollo per l’analisi del movimento
dell’arto superiore
Prodotti scientifici:
–– Padua L, Briani C, Truini A, Aprile I, Bouhassirà D, Cruccu
G, Jann S, Nobile-Orazio E, Pazzaglia C, Morini A, Mondelli
M, Ciaramitaro P, Cavaletti G, Cocito D, Fazio R, Santoro
L, Galeotti F, Carpo M, Plasmati R, Benedetti L, Schenone
A. Consistence and discrepancy of neuropathic pain screening tools DN4 and ID-Pain.
Riferimenti bibliografici:
–– Neurol Sci. 2012 Mar 21 [Epub ahead of print]. Codice
DOI: 10.1007/s10072-012-1011-3.
Ricerca corrente
Nel 63,4% dei casi il dolore influenzava il trattamento riabilitativo. Per quanto riguarda la relazione tra l’intensità del
dolore e ogni sessione di riabilitazione abbiamo osservato
che nel 23,1% dei pazienti la riabilitazione non modificava
il dolore, nel 26,9% dei casi dopo la riabilitazione il dolore
migliorava e nel 50% dei casi il dolore peggiorava durante la
sessione di riabilitazione.
Studio 2
In fase di attivazione per la recente messa a punto del laboratorio di Biologia Molecolare.
Studio 3
Nella prima fase dello studio abbiamo messo a punto un
nuovo protocollo per l’analisi del movimento dell’arto superiore nello stroke (Fig. 1) in collaborazione con il Polo Tecnologico della FDG di Milano che rappresenta una evoluzione di
un protocollo focalizzato sullo studio della mano e pubblicato
dallo stesso gruppo (Carpinella et al., 2012). Sono stati valutati 8 soggetti sani (5 donne e 3 uomini di età media pari a
71±10,6 anni). Il protocollo permette di valutare i movimenti
di collo, spalle, tronco e mano durante attività quotidiane di
reaching e grasping nei pazienti con stroke.
Nel protocollo utilizzato, il soggetto è stato equipaggiato con
30 marcatori riflettenti. I marker vengono colpiti dalla luce
infrarossa emessa dalle telecamere e la riflettono verso le
stesse; tramite un complesso calcolo e facendo uso delle
informazioni ricevute da più telecamere, il sistema è in grado
di calcolare la posizione nello spazio di ogni marcatore. Dalla
posizione dei marcatori nello spazio, nel tempo, è possibile
valutare i parametri cinematici quali angoli articolari, velocità
e accelerazioni, per ogni distretto corporeo di interesse. La
cinematica dell’arto superiore, in termini di spostamenti angolari di polso, gomito, spalla e tronco, sul piano sagittale è
riportata in Fig. 1. Attualmente è in corso il reclutamento dei
pazienti affetti da Stroke.
Linea di Ricerca 1
79
Linea di Ricerca 1
Studio esplorativo per l’utilizzo
di spettroscopia Raman come Point of Care
diagnostico non invasivo
Responsabile: Gramatica Furio
Ricerca corrente
Background
80
La spettroscopia Raman è una tecnica ottica vibrazionale
in grado di fornire una grande quantità di informazioni sulla
composizione molecolare dei campioni analizzati semplicemente osservandone le lunghezze d’onda riemesse (scattering di luce) in seguito all’esposizione a un fascio di luce laser
(Kneipp, 1999). Negli ultimi anni questo tipo di spettroscopia, tradizionalmente impiegata nel campo dell’analisi delle
opere d’arte e in quello della microelettronica, ha attirato
l’attenzione della comunità medica come nuovo strumento
rapido e non invasivo per l’analisi in vivo dei tessuti e in vitro
dei fluidi biologici. L’assunto principale che giustifica l’impiego della spettroscopia Raman come mezzo diagnostico è legato all’idea che la progressione di molte patologie provoca
una variazione nel contenuto molecolare delle cellule che a
sua volta si riflette in un diverso pattern di segnali registrato
tramite questa metodica. Questo pattern può quindi essere
scomposto nei suoi componenti evidenziando la presenza
di nuove bande (o la variazione di intensità di bande già presenti) che possano fungere da biomarcatore della malattia.
Sebbene esistano nella letteratura scientifica già diversi studi sull’impiego della spettroscopia Raman come tool diagnostico (Chang, 2011), questi al momento rimangono per lo
più dei proof of concept sulla fattibilità scientifica di questo
tipo di studi mentre mancano ancora dati affidabili sulla riproducibilità e affidabilità dei dati riportati. Lo scopo di questo
progetto è quello di effettuare uno studio preliminare misurando gli spettri Raman della cute per andarne a identificarne i componenti principali e molecole, come per esempio la
melanina e la filaggrina nella pelle che possano essere più
facilmente correlate con stati patologici (Virkler, 2008).
Obiettivi
L’osservazione dei pazienti da parte del medico e l’analisi dei
fluidi biologici attraverso le tecniche di biologia molecolare
rappresentano due dei capisaldi su cui è basata la diagnostica medica. Sebbene questi strumenti siano indiscutibilmen-

te necessari, nuove tecniche biofisiche si sono e si stanno
rapidamente affiancando a quelle tradizionali. L’obiettivo
principale di questo progetto è di valutare da un lato la riproducibilità dei primi risultati presenti nella letteratura scientifica dall’altro di quantificare la variabilità dei segnali registrati
in diversi esperimenti effettuati su un medesimo soggetto e
tra soggetti diversi per valutare l’effettiva translabilità della
tecnica in ambito clinico.
Metodi
La principale metodologia utilizzata in questo studio è stata
la spettroscopia Raman applicata su campioni biologici.
RELAZIONE ATTIVITÀ
La tecnica principale utilizzata in questo studio è stata la
spettroscopia Raman classica applicata a campioni biologici al fine di valutarne l’efficacia e la capacità di discernere i diversi costituenti molecolari all’interno di una miscela
complessa quale quella rappresentata dalla pelle umana.
Per questo obiettivo si è dovuta svolgere una grande attività sperimentale di messa a punto della metodica. Gli
spettroscopi Raman sono infatti strumenti di ricerca molto
complessi che richiedono una avanzata conoscenza di ottica e dell’interazione tra luce e materia solida. Diverse sono
le configurazioni possibili a livello di lunghezza d’onda della
luce impiegata, di reticoli ottici e di filtri adatti all’analisi di
ciascun campione.
Sebbene esistessero alcuni studi preliminari in letteratura,
gran parte di questi parametri sono dipendenti dai singoli
strumenti utilizzati in quanto, specie i rilevatori, ogni fornitore e, in forma minore, ogni singolo detector hanno delle
specifiche di efficienza propria che si riflettono in diversi parametri da utilizzare nell’acquisizione della misura.
Una volta acquisite le impostazioni dello strumento più adatte al tipo di studio richiesto per il progetto, in una seconda
fase si è andati ad analizzare i campioni di pelle umana rimossa all’interno di interventi chirurgici di chirurgia plastica
I campioni di cute sono stati analizzati osservandoli sia dal
lato relativo all’epidermide sia da quello del derma (Fig. 1) e i
due diversi spettri sono stati comparati tra di loro e con i dati
già disponibili in letteratura al fine di andarne a riconoscere i
diversi costituenti molecolari.
Linea di Ricerca 1
Alcuni campioni di pelle analizzati tramite spettroscopia
Raman osservati dal lato epidermico (E) o dermico (D)
Raman
Shift
Componente
Raman
Shift
Componente
Raman
Shift
Componente
Raman
Shift
Componente
643
anello tirosina
1.086
ceramidi
857
pirolina e idrossipirolina
1.275
amide III
722
fosfolipidi
1.127
ceramidi
936
pirolina e idrossipirolina
1.447
C-H
758
fesfato (fosfolipidi)
1.207
anelli aromatici
1.003
fenilanina
1.652
amide I
803
DNA
1.270
amide III (proteine)
1.246
amide III
2.000-3.000
acqua
852
tirosina
1.296
amide III (proteine)
935
a-elica (str. secondaria)
1.443
C-H
957
fosfolipidi
1.650
amide I (proteine)
1.003
fenilanina
Derma
400
400
300
300
I (a.u.)
I (a.u.)
Epidermide
200
200
100
100
0
0
Fig. 2
600
800
1000
1200
1400
1600
Raman Shift (cm -1)
Spettro Raman dell’epidermide e assegnazione completa dei picchi
1800
Fig. 3
600
800
1000
1200
1400
1600
// 2800
Raman Shift (cm -1)
3000
Ricerca corrente
Fig. 1
Spettro Raman del derma e assegnazione completa dei picchi
81
Linea di Ricerca 1
Filaggrina
600
I (a.u.)
500
400
300
200
100
0
Fig. 4
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
Raman Shift (cm -1)
Spettro Raman della filaggrina
Particolare attenzione è stata poi posta allo studio della filaggrina.
La filaggrina è di fatto una proteina chiave per la formazione dello strato corneo dell’epidermide e quindi della barriera
epiteliale. Mutazioni a carico di questa proteina, che portano
a modificazioni molecolari della filaggrina, sono fattori predisponenti per alcune patologie cutanee tra cui la dermatite
atopica.
La ricerca di mutazioni nella filaggrina ha portato a identificare l’eziopatogenesi della dermatite atopica come genetica,
che comporta in seguito risposte secondarie di tipo immunitario (Gonzalez FJ et al., 2011). Le misure effettuate nel
nostro studio hanno permesso di andare a valutare lo spettro
Raman della filaggrina nella pelle (Fig. 4) mostrando come
questa possa essere chiaramente e univocamente identificata e ponendo le basi per successivi studi della filaggrina in
condizione patologica.
Ricerca corrente
PRODOTTI SCIENTIFICI
82
Lo spettro Raman dell’epidermide risulta relativamente difficile a causa della sua opacità ottica dovuta all’elevata densità
dei suoi componenti. Per poter quindi chiaramente distinguere l’epidermide, e in particolare lo strato corneo, dagli strati
sottostanti molto più idratati che emettono molto più segnale,
è necessario utilizzare lo strumento in modalità confocale.
Lo spettro registrato in queste condizioni (Fig. 2) mostra una
grande ricchezza di informazioni ed è stato possibile andare
a riconoscere la presenza dei fosfolipidi (bande a 722, 758
e 957 cm-1) degli acidi nucleici (803 cm-1), dei costituenti
proteici (bande a 852, 935, 1.003, 1.207, 1.270, 1.296, 1.650
cm-1) e dei ceramidi (bande a 1.086 e 1.127 cm-1)
Sostanziali differenze sono al contrario evidenti nello spettro
Raman del Derma (Fig. 3). Qui i picchi possono essere acquisiti in maniera molto più semplice e si riconoscono essenzialemente nei diversi costituenti del collagene. Da una analisi
dettagliata si possono infatti riconoscere le bande relative
alla prolina e idrossiprolina (857 e 936 cm-1), alla fenilalanina (1.003 cm-1), le bande dei legami amidici (1.246, 1.275,
1.652 cm-1) ed è chiaramente distinguibile la parte dello
spettro relativa alla elevata presenza di acqua nella regione
tra 2.000 e 3.000 cm-1.
Articoli:
– Forvi E, Bedoni M, Carabalona R, Soncini M, Mazzoleni
P, Rizzo F, O’Mahony C, Morasso C, Cassarà DG, Gramatica F. Preliminary technological assessment of microneedles-based dry electrodes for biopotential monitoring
in clinical examinations. Sens. Actuators A: Phys, 2012
(180) 177-186.
Poster:
– Méhn D, Morasso C, Vanna R, Forvi E, Bedoni M, Colombo M, Prosperi D, García C P, Rossi F, Gramatica F.
Gold Nanostars in development of a SERS based method
for minimal residual disease monitoring, presented at:
Nanotech-Montreux 2012, Montreux, Switzerland, 12-14
November 2012.
– Morasso C, Mehn D, Bedoni M, Forvi E, Vanna R, Prosperi D, Gramatica F. Comparison between Spherical and
Star-Like Gold Nanoparticles for SERS Detection of Dyes
in Liquid, presented at: Colloids and nanomedicine 2012,
organized by Elsevier, Amsterdam, Netherlands, 15-17
July 2012.
– Mehn D, Morasso C, Vanna R, Forvi E, Bedoni M, Gramatica F, Pellacani P, Frangolho A, Marchesini G, Valsesia A.

Studio multicentrico sulla utilità della analisi
strumentale del cammino nel processo
di decisione clinica nel paziente con esiti
di ictus cerebrale stabilizzato
Responsabile: Rabuffetti Marco
Background
L’analisi strumentale del cammino, generalmente denominata “gait analysis” (GA), consiste nella analisi multifattoriale
degli aspetti cinematici e dinamici del movimento e del correlato dato elettromiografico, ovvero la attività elettrica dei
muscoli coinvolti. La GA è unanimemente considerata come
il modo più efficace e comprensivo di studiare la funzione
locomotoria nell’uomo. A fronte di questo riconoscimento,
il ruolo della GA nel processo di decisione clinico è invece
controverso, con la sola eccezione dell’analisi funzionale in
soggetti in età evolutiva con paralisi cerebrale e in particolare
nella fase di definizione dei piani chirurgici (la GA è fondamentale nel progetto terapeutico chirurgico in oltre la metà
di questi pazienti).
A fronte di questa evidenza, suffragata anche da review sistematiche, esiste un numero limitato di studi che analizzano il ruolo della GA nel trattamento di altre malattie o disturbi
del sistema locomotorio. In particolare, nonostante il rilievo
in termini numerici della popolazione con danno cerebrale
da esiti di ictus e conseguente emiplegia e nonostante la
complessità del potenziale percorso terapeutico per questi
soggetti, che include oltre alla fisioterapia e all’uso di ortesi
e ausilii anche trattamenti con tossina di muscoli “spastici”
nonché interventi chirurgici assimilabili per obiettivi e per
tecnica a quelli utilizzati nelle paralisi cerebrali, non esistono evidenze del ruolo determinante della GA nel processo
di decisione clinica. Questa mancanza di studi scientifici ed
evidenze riesce ancor più critica, laddove si consideri che la
GA è stata utilizzata negli ultimi decenni in numerosi studi
sui fattori patogenetici che intervengono a seguito di danno
centrale (attivazione muscolare assente/ridotta, cocontrazione muscolare anomala, riflesso allo stiramento aumentato,
deformità muscolo-scheletriche). E infine, tale mancanza di
evidenza è contraddetta nei fatti dalle richieste provenienti
dai medici curanti di GA in pazienti con esiti di ictus.
Ricerca corrente
Plasmonic crystal structures as solid substrates for Surface Enhanced Raman Spectroscopy, presented at NanoBioEurope 2012, organized by: European Commission’s
Joint Research Centre (JRC) and Fondazione Don Gnocchi, Varese, Italy, 18-20 June 2012.
–– Morasso C, Mehn D, Bedoni M, Forvi E, Vanna R, Prosperi
D, Gramatica F. Comparison between Spherical and StarLike Gold Nanoparticles for SERS Detection of Dyes in
Liquid, presented at: II Congresso nazionale di spettroscopie Raman ed effetti ottici non lineari, organized by: GISR
– Italian Chemical Society, Bologna, Italy, 6-8 June 2012.
–– Bedoni M, Forvi E, Morasso C, Mehn D, Vanna R, Gramatica F. Emerging Microtechnology-Enabled Biomedical Devices to Overcome the Skin Barrier, presented at: 9th International Conference and Workshop on Biological Barriers,
organized by: Saarland University, Saarbrücken, Germany,
29 February-9 March 2012.
Linea di Ricerca 1
83
Linea di Ricerca 1
Il quadro generale è quindi maturo per una verifica sperimentale dell’ipotesi che la GA abbia un ruolo determinante
del processo di decisione clinico relativo al trattamento degli
esiti di ictus.
Obiettivi
L’obiettivo del progetto è di valutare l’utilità dell’analisi strumentale del cammino nel processo di decisione clinica nel
paziente con ictus stabilizzato nell’ipotesi che la GA determini in modo rilevante la decisione del medico, ovvero che
tale decisione cambi a seconda che i dati della GA siano o
meno disponibili.
Un secondo obiettivo è lo sviluppo di strumenti che supportino l’operatore nell’integrazione dei dati di analisi strumentale
del cammino nel processo di decisione clinica.
Ricerca corrente
Metodi
84
Lo studio dell’utilità della GA nel processo decisionale clinico
per soggetti con esiti di ictus è strutturato come uno studi prospettico osservazionale in cui l’esame di GA, ovvero
i relativi risultati e referto, rappresenta l’elemento aggiuntivo a un processo clinico consolidato e l’analisi prospettica
mette a confronta la decisione clinica basata sull’approccio
tradizionale e la decisione basata sull’approccio tradizionale
integrato dalla GA.
In virtù della relativa scarsa standardizzazione delle decisioni
cliniche (genericità delle indicazioni fisioterapiche e ortesiche, ambiguità nella denominazione dell’intervento chirurgico, approssimazione sulle sedi da infiltrare con tossina) è
necessario standardizzare il modulo entro cui confinare le
decisioni cliniche (tale standardizzazione delle opzioni terapeutiche non vuole sostituirsi alla pratica clinica, bensì creare le condizioni per un confronto pre-post e between-). Inoltre è richiesto al decisore, ovvero al medico incaricato della
decisione, di attribuire un personale livello di confidenza alla
decisione. Tale processo decisionale è svolto dal medesimo
medico, prima e dopo l’esame di GA, e, nella sessione postla decisione viene presa alla luce della precedente decisione rivista criticamente. Tali scelte metodologiche riducono
il potenziale dello studio esclusivamente alla sola verifica
dell’eventuale cambiamento, nella sostanza o nel livello di
confidenza, della decisione assunta. È altresì esclusa ogni

valutazione sull’effettiva efficacia di una decisione cambiata
dalla GA, per tale scopo è necessario un diverso, e ben più
complesso, disegno sperimentale.
RELAZIONE ATTIVITÀ
Nell’ambito del progetto sono stati reclutati 49 pazienti (età
53,3±14,5 anni, mesi trascorsi dall’ictus 35,2±26,4) presso
i centri Don Gnocchi di Milano, Parma e Firenze dotati di
Servizio di Analisi della Funzionalità Locomotoria. Tali individui, caratterizzati da emiplegia a seguito di ictus, sono stati
sottoposti a un esame clinico tradizionale a seguito del quale il medico ha definito il percorso terapeutico rispondente
alle condizioni del paziente, tale decisione è stata quindi formalizzata secondo il modulo di opzioni definito e corredata
di una autovalutazione del livello di confidenza relativo alla
decisione stessa. Il paziente successivamente è stato sottoposto a un esame di GA secondo gli standard adottati nei
laboratori e il medico, sulla base della prima decisione integrata dalle informazioni rese disponibili dall’esame di GA, ha
riformulato la sua decisione.
Il confronto tra la decisione clinica precedente la gait analysis (pre-GA) e successiva alla gait analysis (post-GA) consente di evidenziare il contributo di quest’ultima in termini di
modifica della decisione. In particolare si possono evidenziare differenze nel primo livello di decisione (quello tra le 4
opzioni terapeutiche fondamentali: fisioterapia, ortesi, tossina, chirurgia) e differenze di secondo livello (ovvero quando
il primo livello di decisione non è modificato ma si conclude
con una decisione relativa a una diversa ortesi, una diversa
chirurgia ecc.).
Il risultato fondamentale è stato che la disponibilità dei risultati della GA ha determinato, nel 71% del campione, una variazione del relativo progetto terapeutico e in particolare ciò
è evidente nel caso in cui la decisione pre-GA riguardasse
un intervento chirurgico (73% di variazione della decisione)
o con tossina (81%), mentre si è osservata una relativa maggior stabilità di eventuali decisioni di interventi ortesici (37%)
o fisioterapici (32%).
L’analisi del livello di confidenza nella decisione presa ha
evidenziato, nell’intero gruppo sperimentale, un aumento di
confidenza (cresciuta in media da 6,7 a 8,7 su una scala di 10

mente alla migrazione da computer locale a server internet
consentendo così un potenziale accesso a più utilizzatori.
Tale migrazione su server intranet/internet è valutata per
il prossimo futuro nell’ambito dei Servizi Informativi della
Fondazione Don Gnocchi, curando in particolare gli aspetti
concernenti privacy, trattamento di dati sensibili e sicurezza
della rete aziendale.
Prodotti scientifici
Software:
–– Applicativo di refertazione assistita (GAAR) attualmente
installato presso il Polo Tecnologico, il Servizio di Analisi
della Funzionalità Locomotoria (SAFLo), il Servizio di Riabilitazione Adulti del Centro S. Maria Nascente di Milano
della Fondazione Don Gnocchi.
Abstract a Congressi:
–– Castagna A, Rabuffetti M, Montesano A, Ferrarin M. Role
of gait analysis in the process of clinical decision making
concerning post-stroke patients, Gait & Posture, 33(S1):
S20-S21, 2011.
Articoli su riviste peer-reviewed:
–– Un articolo scientifico relativo allo studio sperimentale è
attualmente sottoposto a una rivista peer-reviewed di settore per eventuale pubblicazione.
Ricerca corrente
punti). È interessante notare che anche nel sottogruppo in
cui la GA non ha determinato alcuna variazione di decisione
si è osservato un aumento della confidenza nella decisione
stessa (cresciuta da 7,0 a 8,8).
Nel corso del progetto è stato sviluppato un sistema (software) per la refertazione assistita di esami di gait analysis secondo un disegno nato, presso l’IRCCS Don Gnocchi, dalla
collaborazione tra componente tecnologica (Polo Tecnologico) e componente clinica (UORRF e relativo servizio SAFLo).
Il sistema non è legato esclusivamente a un protocollo di
gait analysis ma è genericamente applicabile a protocolli che
forniscano raccolte di grafici con una struttura predefinita e
in formato PDF (tutti i protocolli di gait analysis in uso presso
la Fondazione Don Gnocchi soddisfano questo criterio).
Considerata la difficoltà di gestire parametri calcolati su
EMG, la refertazione assistita è limitata allo stato attuale ai
soli domini cinematico e dinamico. È comunque prevista, in
futuri avanzamenti, l’aggiunta di un modulo EMG.
Il software, denominato GAAR (acronimo derivato da Gait
Analysis Assisted Reporting), considera un insieme organico
di prove (acquisizioni) di gait analysis e assiste l’operatore
alla refertazione in un percorso predefinito di N passaggi
successivi secondo uno schema sequenziale. Tale percorso
sequenziale non è unico ma è, al contrario, possibile definire
un numero illimitato di percorsi che possono rispondere a
tipologie diverse di pazienti e l’operatore all’inizio di una sessione può scegliere il percorso più opportuno.
A ogni passaggio il sistema considera alcuni parametri/variabili/grafici e propone un box di scelta multipla più una opzione vuota che l’operatore può compilare qualora le scelte
multiple non siano soddisfacenti (la scelta aggiunta sarà successivamente disponibile con le altre scelte, questo realizza
la natura incrementale delle conoscenze insite nel sistema).
La refertazione consente di considerare due set di dati complementari, la cui combinazione consente il riconoscimento
(e la classificazione) di alterazioni che trovano riscontro in
più variabili.
Il codice è sviluppato su piattaforma JAVA in quanto garantisce strumenti di sviluppo compatibili con quelli dei sistemi
informativi delle aziende sanitarie ed è predisposta natural-
Linea di Ricerca 1
85
Linea di Ricerca 1
Sviluppo di un applicatore (caschetto)
di dry electrodes per il monitoraggio di biosegnali
(EEG, BCI)
Responsabile: Gramatica Furio
Background
Gli elettrodi convenzionali usati per EEG a breve e lungo
termine (sia in versione singola che integrati in una cuffia)
presentano numerosi inconvenienti e limiti di utilizzo legati
principalmente alle condizioni di preparazione del paziente,
agli artefatti da movimento e all’impossibilità di acquisire
segnali per lunghi periodi. Inoltre i pazienti sono spesso
obbligati alla assoluta immobilità pena la non affidabilità del
tracciato. Il nostro obiettivo è quello di superare questi limiti
studiando un caschetto che abbia le seguenti caratteristiche:
adattabile, al fine di assicurare l’adesione e la stabilità degli
elettrodi, dotato di regolatore per la profondità di penetrazione dei microaghi (nostri dry electrodes) in base alla variabilità
interindividuale di spessore della cute, privo di preparazione
della cute con paste o gel elettrolitici (grazie alla presenza dei
microaghi che bypassano lo strato corneo).
Ricerca corrente
Obiettivi
86
L’obiettivo della ricerca consiste nello sviluppo di un applicatore a “caschetto” per elettrodi a secco per il monitoraggio
di biopotenziali in ambito elettroencefalografico (EEG) e per
applicazioni BCI.
L’applicatore deve: i) consentire una facile applicazione degli
elettrodi a secco microstrutturati allo scopo di semplificare
le procedure di applicazione degli elettrodi alla cute; ii) essere regolabile per poter garantire una miglior stabilità all’interfaccia con la cute sia per applicazioni a breve che, in particolare, per quelle a lungo termine; iii) consentire la regolazione
della profondità di penetrazione dei microaghi nella cute a
seconda delle proprietà della pelle del soggetto; iv) essere
confortevole da indossare e adattabile a seconda delle dimensioni del neurocranio, per migliorare la compliance del
soggetto analizzato.

tenziali su superfici ridotte, e in ambito elettroencefalografico. In particolare, nel primo caso, abbiamo acquisito l’attività elettromiografica del Flessore Radiale del Carpo (FRC) e
Flessore Ulnare del Carpo (FCU) durante cinque contrazioni
isometriche di deviazione radiale e ulnare sull’avambraccio
di un volontario sano (donna, 23 anni): nella prima sessione
sperimentale abbiamo utilizzato gli elettrodi a secco micro
strutturati (array di microaghi in silicio alti 300 mm), dotati di
una superficie di contatto di 100 mm2; nella seconda sessione abbiamo utilizzato invece elettrodi standard pregelificati
(ARBO H124 SG) dotati di una superficie di contatto pari a
256 mm2; i biosegnali sono stati acquisiti con un sistema ZeroWire (Aurion, S.r.l.) con una frequenza di campionamento
di 1 kHz, filtrati con un filtro passa basso, con frequenze di
cut-off di 20 Hz e 250 Hz.
Nell’ambito elettroencefalografico, abbiamo eseguiti test
su di un volontario sano (uomo, 25 anni), comparando
i tempi di applicazione e le performance degli elettrodi a
secco microstrutturati (array di microaghi in silicio, alti 300
mm) con gli elettrodi a gel standard. Nella prima sessione
sperimentale quattro elettrodi a secco sono stati posizionati nelle posizioni standard (Fp1, Fp2, T3 and T4), secondo il
sistema 10-20, mentre, nella seconda sessione, elettrodi a
gel sono stati applicati nelle medesime posizioni. La posizione Fpz è stata scelta come ground e il mastoide destro
come reference. Gli elettrodi a secco, nelle posizioni T3 e
T4, sono stati fatti aderire alla cute mediante un cerchietto
di plastica per capelli, mentre gli elettrodi a gel hanno mantenuto le rispettive posizioni mediante l’applicazione di un
normale elmetto elastomerico, seguendo la preparazione
standard della cute del soggetto. La sequenza dei compiti
richiesti al soggetto comprendeva: 1 min. a occhi chiusi, 1
min. a occhi aperti, 1 min. di blinking e 1 min. di digrignamento di denti. I dati sono stati acquisiti con una frequenza
di campionamento di 200 Hz e filtrati con un filtro notch per
rimuovere il rumore di rete.
Metodi
RELAZIONE ATTIVITÀ
Nel corso della ricerca sono stati svolti esperimenti in ambito elettromiografico, allo scopo di valutare le performance
degli elettrodi a secco microstrutturati nell’acquisire biopo-
I risultati ottenuti (Fig. 1) mostrano che le performance
degli elettrodi a secco microstrutturati sono paragonabili,
per ampiezza e forma dei segnali, a quelle degli elettrodi a
EMG signal [mV]
Linea di Ricerca 1
Time [s]
gel in entrambe le attività muscolari acquisite. In aggiunta,
gli elettrodi microstrutturati sembrano essere convenienti
per migliorare la selettività del segnale EMG, riducendo il
potenziale cross talk fra gli elettrodi. L’uso di tali elettrodi pertanto potrebbe essere particolarmente utile durante
un’acquisizione di un segnale EMG quando è presente un
numero elevato di muscoli in spazi ridotti oppure quando le
dimensioni antropometriche sono limitate, come nel caso
di soggetti pediatrici.
I risultati ottenuti (Fig. 2), relativi alla posizione Fp2, mostrano come gli elettrodi a secco abbiano performance comparabili con quelle degli elettrodi a gel nella transizione occhi
chiusi-occhi aperti: entrambi i ritmi alpha (presente nella
condizione occhi chiusi) e beta (presente nella condizione
occhi aperti) sono riconoscibili. Considerazioni simili possono essere espresse per le altre due condizioni investigate, il
digrignamento dei denti e il blinking: i segnali degli elettrodi
a secco sono comparabili in ampiezza e forma a quelli degli
elettrodi tradizionali a gel.
In conclusione, gli elettrodi a secco micro strutturati sembrano essere adatti per il monitoraggio di biosegnali EEG:
essi offrono performance simili a quelle degli elettrodi a
gel, ma richiedono tempistiche di preparazione della cute
inferiori. In questo modo la procedura di applicazione degli
Ricerca corrente
Fig.1
Esame elettromiografico di FRC e FCU ottenuto mediante wet electrodes e dry electrodes
87
Linea di Ricerca 1
Fp2 - DRY
Fp2 - WET
300
300
200
200
100
100
0
0
-100
-100
-200
-200
-300
-300
EMG signal [mV]
0.5
1
1.5
2
2.5
300
300
200
200
100
100
0
0
-100
-100
-200
-200
-300
0.5
1
1.5
2
2.5
0.5
1
1.5
2
2.5
0.5
1
1.5
2
2.5
-300
0.5
1
1.5
2
2.5
300
300
200
200
100
100
0
0
-100
-100
-200
-200
-300
-300
0.5
1
1.5
2
2.5
Time [s]
Ricerca corrente
Fig.1
88
Esame elettromiografico di FRC e FCU ottenuto mediante wet electrodes e dry electrodes
elettrodi risulta più facile e veloce per gli operatori e più
confortevole per i soggetti, senza indurre il discomfort generato dall’abrasione della cute e dall’essiccazione del gel.
PRODOTTI SCIENTIFICI
Abstract (impattati):
– New Microtechnology-Enabled Biomedical Devices to
Overcome the Skin Barrier. Bedoni M, Forvi E, Morasso C,
Cassarà DG, Gramatica F. 41st Annual ESDR Meeting. 7-10
settembre. J Invest Dermatol. 2011; 131:S37.
Brevetti:
– PCT/EP2011/057430: Applicant: TT Seed S.r.l. Inventors:
Gramatica F, Bedoni M, Casella M, Cassarà G, Forvi E, Iorio AM. Title: Needle device for detecting biosignals through the skin – Maggio 2011.

Il cuore del progetto risiede nello sviluppo di materiali che
in presenza del biomarcatore di interesse siano in grado di
auto assemblarsi in modo da formare strutture in grado di
amplificare i segnali Raman di alcuni marcatori ottici presenti
nel campione.
Background
Metodi
L’idea alla base del seguente studio è quella di utilizzare la
biofotonica per la costituzione di una nuova piattaforma tecnologica attraverso la quale effettuare misure quali-quantitative immediate e a elevatissima sensibilità di analiti e biomarcatori in fluidi corporei. Si pensa di predisporre test rapidi
in vitro basati su nanoparticelle funzionalizzate per migliorare
la diagnosi e la cura di patologie tumorali e croniche. Questo
progetto in particolare è dedicato allo sviluppo e alla validazione di un innovativo kit diagnostico che, sfruttando l’impiego della spettroscopia ottica vibrazionale (Raman classica,
Raman risonante e SERS), sia in grado di valutare in vitro su
sangue intero l’espressione di alcuni geni tumorali che risultino utili come marker molecolare per la determinazione di
alcune patologie tumorali come la leucemia mieloide acuta.
La fattibilità del sistema di rilevazione definito SENSI-Raman
è già stata in parte studiata in letteratura (Nguyen CT. 2010;
Joshi B. 2010 ) e la prospettiva di una reale applicazione in
ambito clinico è vicina.
Il progetto ha comportato la progettazione e sviluppo dei singoli componenti del nuovo kit diagnostico in vitro basato su
nanoparticelle metalliche magnetiche, oligonucleotidi creati ad
hoc per legarsi alla nanoparticella e riconoscere basi del gene
d’interesse e oligonucleotidi legati a Raman probes. Sono stati
analizzati con uno spettroscopio micro-Raman (Labram, Horiba Jobin-Yvon) da banco e uno spettroscopio Raman semiportatile gli spettri di ogni singolo componente del kit.
RELAZIONE ATTIVITÀ
Una prima fase del lavoro ha riguardato l’acquisizione di
spettri di riferimento di alcune molecole da utilizzare come
marcatori ottici quali Rodamina (Fig. 1), Malachite ecc. utilizzando un’attrezzatura semiportatile operante con luce a 785
nm (NIR).
Terminata questa prima fase si è passati allo sviluppo dei
materiali nanostrutturati da utilizzare come base per il kit
diagnostico concentrando l’attenzione sullo sviluppo di na-
Obiettivi
Rhodamine 6g
Light Intensity (a.u.)
1512
1368
1312
775
1186
20000
618
Il progetto prevede lo sviluppo di un kit diagnostico basato
sull’impiego della spettroscopia Raman che permetta di rilevare la presenza di biomarcatori tumorali in fluidi corporei.
La spettroscopia Raman è una particolare tecnica che permette di ottenere un elevato numero di informazioni sulla
composizione chimica del campione che viene analizzato
senza richiedere una particolare preparazione del campione
stesso.
La principale limitazione di questa tecnica risiede tuttavia
nella sua scarsa sensibilità. Questa problematica può essere tuttavia affrontata sfruttando una serie di particolari
fenomeni ottici che avvengono sulla superficie di materiali
nano-strutturati formati da metalli nobili come oro e argento
usando un approccio chiamato SERS (Surface Enhanced Raman Spectroscopy).
10000
0
Fig. 1
500
1000
1500
2000
Raman Shift (cm -1)
Spettro Raman della Rodamina 6G (cristallo) acquisito con uno strumento semiportatile operante a 785 nm
Ricerca corrente
Sviluppo di metodiche applicative
della biofotonica per la rilevazione rapida e
a elevata sensibilità di biomarcatori in fluidi
corporei a scopo diagnostico
Responsabile: Gramatica Furio
Linea di Ricerca 1
89
Linea di Ricerca 1
Ricerca corrente
Fig.2
90

Immagini in microscopi elettronica (TEM e SEM) di alcune delle diverse nanoparticelle sviluppate per il progetto (barra 100 nm)
noparticelle d’oro, note per la loro stabilita e per l’elevato
controllo che si può avere a livello di forma e dimensione
nella loro fabbricazione.
Utilizzando metodi in parte già noti e in parte sviluppati appositamente per questo progetto è stato possibile creare una
famiglia di particelle d’oro con forma sferica aventi dimen-
sioni variabili tra 30 e 120 nm. Sono state inoltre sviluppate
particelle di forma non sferica di potenziale grande interesse
per la capacità di amplificare maggiormente i segnali Raman
rispetto a particelle sferiche di eguale dimensione.
In parallelo a questo lavoro sono state sviluppate delle superfici di silicio monocristallino (preferite al vetro che aveva

Linea di Ricerca 1
60000
110 nm
70nm
30nm
Intensity
50000
40000
30000
20000
10000
Fig. 3
750
1250
1750
Raman Shift (cm -1)
Spettri SERS della Rodamina 6G in soluzione ottenuto impiegando superfici ricoperte con nanoparticelle d’oro sferiche di diversa dimensione
• preparazione di superfici solide ricoperte da nanoparticelle in grado di amplificare i segnali Raman delle molecole
assorbite.
Prodotti scientifici:
Articolo in extenso:
–– Casella M, Lucotti A, Tommasini M, Bedoni M, Forvi E,
Gramatica F, Zerbi G. Raman and SERS recognition of Beta-Carotene and Haemoglobin fingerprints in Human Whole Blood. Spectrochimica Acta Part A. 2011; 79:915-19.
Abstract presentato come talk a conferenza internazionale:
–– Leukemia Early Diagnosis and Minimal Residual Disease Assessment using a highly homogeneus nanoparticle
substrate for SERS detection. Morasso C, presentato a:
ETPN General Assembly, Barcellona, Spagna, 19-21 ottobre 2011.
Abstract presentato come poster a conferenza internazionale:
–– Detection of Biomolecules using Light Scattering. Morasso C, Gramatica F, Bellini T, Prosperi D, poster presentato
a: BioPhotonics 2011, conferenza organizzata dall’Università di Parma e dalla IEEE Photonic Society, Parma, Italia,
8-10 giugno 2011.
Capitolo di libro (peer reviewed):
–– Strategies for the Characterization of the Saccharidic Moiety in Composite Nanoparticles. Morasso C, Verderio P,
Colombo M, Prosperi D. Petite and Sweet: Glyco-Nanotechnology as a Bridge to New Medicines. American Chemical Society December 13, 2011, 69-89.
Ricerca corrente
mostrato problemi legati alla presenza di forti segnali di fluorescenza) ricoperte con i diversi colloidi e se ne è valutata la
differente capacità di incrementare i segnali ottici mostrando come particelle di dimensioni maggiori mostrino un maggiore potenziale di impiego essendo in grado di amplificare
maggiormente i segnali Raman (Fig. 3).
Riassumendo i risultati ottenuti sono stati:
• acquisizione di una libreria di spettri Raman di molecole di
interesse biologico o da utilizzare come marcatore ottico
all’interno del kit diagnostico;
• sintesi e caratterizzazione di una famiglia di nanoparticelle
d’oro di dimensione tra 30 e 120 nm da utilizzare come
materiale di base per la preparazione del kit diagnostico;
91
Linea di Ricerca 1
Sviluppo di piattaforme per la rilevazione e analisi
di segnali biologici e comportamentali attraverso
sensori indossabili e sensori ambientali
e loro integrazione nella domotica sanitaria,
l’home care, telemedicina e teleriabilitazione
Responsabile: Di Rienzo Marco
Background
Le attività di questo progetto sono svolte dal Laboratorio per
lo Sviluppo dei Sensori Indossabili, Domotica Sanitaria e Telemedicina (WeSTLab). Alcune delle attività sono svolte in
collaborazione con il Laboratorio di Ricerche Cardiovascolari.
1. È in essere una collaborazione con l’Ospedale Buzzi per
la realizzazione di un sistema basato su tecnologia tessile
per il monitoraggio domiciliare dei neonati (Baby-Magic).
2. Dal 2011, il WeSTLab sta sviluppando nuove metodologie, la prima per la rilevazione della meccanica cardiaca
dei pazienti durante la loro attività quotidiana attraverso
l’analisi del sismocardiogramma, SCG, e la seconda per
la rilevazione della quantità dei fluidi toracici attraverso la
misura dell’impedenza elettrica del tronco.
Si sono inoltre svolte ulteriori attività in sinergia con i progetti
della Regione Lombardia “Contributo di tecnologie innovative per il telemonitoraggio nel percorso assistenziale del
paziente con scompenso cardiaco diastolico (TELE-HF)” e
“Sviluppo di un nuovo sistema di assistenza e controllo in
remoto per anziani legati a nuova sensoristica negli elettrodomestici (Whirlpool)”.
Ricerca corrente
Obiettivi
92
1. Sviluppare una versione miniaturizzata del sistema MagIC
per il monitoraggio domiciliare di pazienti cardiologici
adulti e neonati;
2. sviluppare una metodica indossabile per la rilevazione della meccanica cardiaca durante l’attività spontanea quotidiana e dell’impedenza elettrica del torace.
Metodi
1. La ricerca ha seguito un piano operativo pluriennale precedentemente concordato con l’Ospedale Buzzi di Milano. Nel 2012 si è provveduto alla validazione della qualità del segnale ECG proveniente dal primo prototipo di
BabyMagIC attraverso una serie di registrazioni effettuate

in parallelo con un sistema Holter tradizionale. Inoltre,
si è progettata e realizzata la versione miniaturizzata del
modulo elettronico di MagIC. Quest’ultima attività è stata
svolta in sinergia con il progetto TELE-HF.
2. Le attività per questo sottoprogetto hanno riguardato:
• il miglioramento della rilevazione del segnale sismocardiografico in termini di precisione e risposta in frequenza;
• attività sperimentali, basate sull’utilizzo della predetta
metodologia, in condizioni di microgravità (nell’ambito
della campagna di voli parabolici PF 57 organizzata dalla Agenzia Spaziale Europea a Bordeaux nel novembre
2012) e nell’ambito di un workshop sperimentale organizzato a Vancouver nel dicembre 2012;
• la progettazione, sviluppo e valutazione della metodologia per la rilevazione dell’impedenza attraverso elettrodi
tessili.
RELAZIONE ATTIVITÀ
1. L’attività principale ha riguardato l’implementazione nel
sistema di telemedicina che ha sviluppato una nuova funzionalità che permette alla piattaforma di telemedicina a
casa del paziente (home gateway) di leggere e trasferire
automaticamente il contenuto della memory card della
maglietta al centro remoto di monitoraggio. Questo ha
richiesto la progettazione, implementazione e validazione
di un nuovo firmware del microprocessore all’interno del
sistema MagIC, e variazioni nelle modalità di colloquio tra
MagIC e l’home gateway, e tra questo e il server remoto.
2. La validazione del prototipo di tutina sensorizzata precedentemente realizzato è stata effettuata eseguendo registrazioni simultanee della durata di 30 minuti utilizzando
il nostro sistema e un sistema Holter tradizionale (ELAMedical) e comparando i risultati. Per lo studio sono stati
reclutati 10 neonati. Per ogni registrazione si è misurata la
quantità di artefatti presente nel segnale ECG e la misura
dell’intervallo QTc. BabyMagic ha fornito registrazioni con
un livello di artefatti nettamente minore al sistema tradizionale (in media 55 vs. 180 secondi di artefatti su 1.800
secondi di registrazione) e misure del QTc sostanzialmente simili (412 vs 405 ms). Si è riscontrato che l’uso del
nostro sistema non ha creato irritazioni sulla pelle e non si
sono evidenziati segni di discomfort. Questi dati sono stati presentati a Boston al convegno annuale delle Pediatric
Academic Societies 2012 (PAS 2012).
Inoltre, in sinergia con il progetto Tele-HF, si è provveduto al disegno, sviluppo e testing di MiniMagIC, una versione miniaturizzata e arricchita del modulo elettronico di
MagIC. La riduzione di volume rispetto al modulo precedente è stata di circa il 50%. Il nuovo modulo costituisce
la base della futura piattaforma per il telemonitoraggio
neonatale.
3. Sismocardiogramma – Le attività si sono principalmente
focalizzate sul miglioramento della qualità del segnale rilevato, attraverso un aumento della frequenza di campionamento del segnale (da 50 a 200 Hz) e un utilizzo di un
nuovo accelerometro che fornisce misure con un rumore
più basso e quindi una migliore precisione nella misura.
Questo ha implicato la realizzazione di modifiche nella
elettronica di condizionamento del segnale accelerometrico, e nelle procedure di post-processing del segnale.
La nuova metodologia è quindi stata integrata nel modulo
MiniMagIC. Inoltre, è iniziata, in collaborazione con Esaote, la messa a punto di un protocollo sperimentale, basato
sull’utilizzo di sistemi ecocardiografici ad alta risoluzione
temporale, che permetterà di valutare con alta precisione
e accuratezza la corrispondenza tra le diverse componenti
del segnale sismocardiografico ed eventi cardiaci nei soggetti sani e in pazienti cardiologici.
Impedenze – Nel corso del 2012 si è realizzato il sistema
per la rilevazione delle impedenze elettriche del torace
attraverso elettrodi tessili. Questa attività ha richiesto lo
sviluppo di una circuiteria elettronica ad hoc e il disegno di
nuovi indumenti sensorizzati che integrassero gli ulteriori
4 elettrodi necessari per la rilevazione di questo segnale.
Tali modifiche sono poi state incluse rispettivamente nel
modulo MiniMagic e negli imbraghi sensorizzati multitaglia citati nel paragrafo successivo. La metodica è stata
validata attraverso una serie di misure comparate con il sistema Niccomo eseguite presso l’Istituto Auxologico Italiano in 26 pazienti con scompenso cardiaco in posizione
Linea di Ricerca 1
supina. In 10 ulteriori pazienti la misura comparata è stata
effettuata con il soggetto su letto basculante in 3 diverse posizioni (supino, Trendelenburg e Anti-Trendelenburg)
per valutare le variazioni nei valori di impedenza corrispondenti allo spostamento di fluidi toracici provocati dalla
diversa inclinazione. I risultati delle prove hanno indicato
che mentre il valore assoluto delle impedenze misurate
dal sistema Niccomo è circa la metà di quanto misurato
da MagIC, esiste invece una sostanziale concordanza sia
nel verso che nella ampiezza (in percentuale) delle variazioni di impedenza registrate dai due sistemi in risposta
alle variazioni di fluido prodotte dall’inclinazione del letto.
Nell’utilizzo pratico delle impedenze il significato clinico è
nelle sue variazioni e quindi i risultati ottenuti sono stati
positivamente valutati dai cardiologi. Su questa base, si è
proceduto all’inclusione di questa metodologia tra gli strumenti di misura utilizzati per il monitoraggio remoto dei
pazienti del progetto TELE-HF.
Inoltre, in sinergia con i progetti Whirlpool e TELE-HF si è
1) messo a punto di un imbrago sensorizzato multitaglia
per la misura integrata dell’ECG, respiro, sismocardiogramma e impedenze, 2) sviluppata la piattaforma sperimentale di telemedicina utilizzata nel progetto TELE-HF,
e 3) eseguito il porting del software per la rilevazione dei
dati MagIC su tablet e smartphone con ambienti operativi
Windows e Android.
Ricerca corrente

93
Linea di Ricerca 1
Sviluppo di test computerizzati per l’indagine
neuropsicologica e l’analisi dell’espressione
grafica
Responsabile: Rabuffetti Marco
Background
L’indagine in ambito neuropsicologico può beneficiare del recente sviluppo nell’informatica che ha reso disponibili strumenti facilmente acquisibili e di relativo basso costo, con
potenziali ricadute in clinica. L’IRCCS Don Gnocchi è attivo
con ricerche e pubblicazioni sullo sviluppo di metodi quantitativi e studi sperimentali in ambito cognitivo dalla fine degli
anni ’90.
Nel 2012, nell’ambito di questa ricerca corrente abbiamo
collaborato in ambito accademico con Università Torino,
UCL University College London, University of Pennsylvania
Philadelphia, Università Parma, Università Ferrara, Università Bologna, Università Bari, Università Milano Bicocca, e in
ambito clinico con H S. Camillo Torino, H S. Gerardo Monza,
H S. Antonio Abate Gallarate, UO cliniche dell’IRCCS Don
Gnocchi.
Obiettivi
Ricerca corrente
• definizione di nuovi paradigmi sperimentali in ambito cognitivo consolidando piattaforme testistiche già sviluppate
e disponibili presso l’IRCCS;
• sviluppo dei modelli/algoritmi di calcolo di indici di performance;
• svolgimento di campagne sperimentali con i paradigmi
definiti;
• analisi dei dati sperimentali;
• preparazione di pubblicazioni scientifiche o di presentazioni a congresso.
94
Metodi
I paradigmi sviluppati e/o applicati nel 2012 sono descritti
nel seguito.
Paradigma Cerchi e Righe e Up & Down
Il paradigma Cerchi e Righe richiede al soggetto un compito bimanuale in cui i due arti tracciano righe e/o cerchi in
modo continuo, in particolare un compito congruente Righe
e Righe e un compito incongruente Cerchi e Righe, laddove
il task non congruente determina normalmente una “ova-

lizzazione” della riga tracciata. Il paradigma U&D richiede al
soggetto di tracciare con continuità una linea verticale nell’ipotesi che una eventuale deriva laterale nella fase iniziale del
compito sia associabile a una lesione cerebrale unilaterale
Paradigma Cerchi e Righe adattato per fMRI
Paradigma Cerchi e Righe svolto su una coppia di trackpad
MRI-compatibili da un soggetto sottoposto a fMRI, rispetto
al paradigma su tablet l’ampiezza dei movimenti è limitata
dalle dimensioni dei trackpad.
Paradigma di Grasping Bimanuale
In questo paradigma, il soggetto deve afferrare con le mani
due prese cilindriche che possono avere diametro uguale o
diverso, la non congruenza delle dimensioni normalmente
altera l’apertura della mano rispetto a quanto si osserva nella
modalità congruente; l’ipotesi di studio è che l’interferenza
normalmente presente sia modulata dalla presenza di emiplegia e dall’eventuale anosognosia associata in un contesto
che si focalizza sul controllo motorio distale.
Paradigma di scrittura di parole
Tale paradigma, sviluppato in collaborazione con il gruppo
della Prof. Angelelli di Bari, richiede la scrittura di parole e
non-parole (460 in tutto per singolo esperimento) utilizzando
una penna sulla carta; l’analisi degli aspetti temporali (inizio della scrittura, presenza e ampiezza di pause, velocità
di scrittura), possibile con un approccio strumentale non invasivo, consente di testare l’ipotesi che la scrittura di una
non-parola si realizzi con una modalità diversa da quella utilizzata per una parola; considerando soggetti normali in età
evolutiva è possibile evidenziare eventuali associazioni con
la maturazione dell’individuo.
Paradigma di disegno (VMI, figura Rey-Osterrieth)
Il presente paradigma è direttamente derivato da test clinici
carta-e-matita (test di copia della Figura di Rey-Osterrieth,
VMI test della integrazione visuo-motoria), il setup sperimentale basato su tavoletta grafica, invariato per il paziente
che continua a scrivere su un foglio di carta, consente la
estrazione di parametri spazio-temporali; l’ipotesi di studio
è che i parametri numerici aumentino la sensibilità e/o specificità dei test carta-e-matita originali; una variante relativa
al solo test VMI basata su touch screen (in questo caso il

to, è normalmente caratterizzato da due movimenti che
avvengono in contemporanea: il trasporto della mano verso l’oggetto da afferrare, movimento a carico delle articolazioni prossimali, e l’apertura della cosiddetta “pinza”
del primo e secondo dito per afferrare l’oggetto. Parametri
spaziali e temporali di trasporto e apertura sono calcolati
sulla base di algoritmi già sviluppati in passato presso il
nostro IRCCS (Pavani, Rabuffetti et al., 1999). L’ipotesi di
studio è che la lesione centrale e l’eventuale anosognosia
possano modulare in modo specifico i movimenti dell’arto
abile ipsilesionale.
RELAZIONE ATTIVITÀ
Attività sperimentale
1. Paradigma Cerchi e Righe su tablet (in collaborazione con
Università di Torino e University of Pennsylvania), 20 controlli e 31 casi (e rispettivamente 62 e 14 nel 2011).
2. Paradigma Up&Down su tablet (in collaborazione con University of Pennsylvania), 28 casi.
3. Paradigma di scrittura di parole su tavoletta grafica (in
collaborazione con Università di Bari): 58 bambini dalla 4ª
elementare alla 2ª media.
4. Paradigma di disegno su tavoletta grafica (in collaborazione con UONPIA Don Gnocchi): 99 bambini dalla 2ª alla 5ª
elementare.
5. Paradigma di disegno su touch screen: 25 bambini frequentanti la Scuola Elementare Speciale dell’IRCCS Don
Gnocchi in doppia sessione (inizio, ottobre 2011, e fine,
maggio 2012, anno scolastico).
6. Paradigma di Grasping misurato con sistema di analisi del
movimento (Università Torino): 7 casi emiplegici e 4 controlli.
In totale nel 2012 l’attività sperimentale ha riguardato 184 soggetti normali e 60 soggetti con disturbi della sfera cognitiva.
Attività di analisi
1. Analisi di una campagna sperimentale su un test computerizzato per neglect (119 controlli e 193 casi).
2. Analisi di una campagna sperimentale su una popolazione
anosognosica e non con paradigma su tablet (10 controlli
e 10 casi).
3. Analisi di una campagna sperimentale su una popolazione
Ricerca corrente
soggetto “disegna” con la punta di un dito su un monitor)
è stata implementata e utilizzata nell’ambito di uno studio
longitudinale su bambini frequentanti una scuola elementare
a indirizzo speciale.
I metodi strumentali utilizzati per supportare i paradigmi
elencati sono descritti nel seguito.
Tablet con penna scrivente – Tale sistema consente di tracciare e scrivere con una “penna” direttamente sullo schermo di PC/tablet, il segno lasciato sul monitor è registrato nei
suoi aspetti temporali e spaziali; per il paradigma Cerchi e
Righe è definito e misurato l’indice di ovalizzazione (Garbarini et al., 2012), ovvero un indice dimensionale che quantifica
quanto il tracciato si discosta dalla linea.
Trackpad compatibile con MRI – Il soggetto sottoposto a
MRI traccia bimanualmente righe e/o cerchi con le dita su
due trackpad MRI-compatibili; l’elaborazione successiva è
assimilabile a quello del paradigma cerchi e righe su tablet.
Touch screen – Tale setup è assimilabile a quello del tablet
laddove le differenze si riducono alla tracciatura realizzata muovendo la punta di un dito (e non di una penna) sullo
schermo del monitor e alle dimensioni dello schermo maggiori di quelle di un tablet (21 pollici invece dei 10 pollici tipici
di un tablet); tale setup non si presta, per le dimensioni della
punta del dito che scrive, né alla scrittura, né al disegno di
strutture complesse quali la figura di Rey; nelle nostre attività di Ricerca Corrente è quindi utilizzata per disegni con caratteristiche di maggior semplicità (per esempio i test VMI)
oppure per test di cancellazione o reazione (adottati in attività precedenti, ma non utilizzate nell’anno 2012 che viene
considerato nella presente relazione).
Tavoletta grafica – Tale setup consente di scrivere o disegnare con una vera penna su un vero foglio di carta appoggiato
ai fini della misura su una tavoletta grafica di ridotto spessore, in grado di registrare la traiettoria della penna.
Sistema di analisi del movimento – Tale setup, al contrario di tutti i setup precedenti, non è low-cost e richiede
uno specifico laboratorio come spazio sperimentale; esso
consente di misurare le traiettorie di specifici punti anatomici marcati all’uopo e, quindi, di identificare i movimenti
dell’arto superiore. Il grasping, ovvero l’afferrare un ogget-
Linea di Ricerca 1
95
Linea di Ricerca 1
anosognosica e non con paradigma su board strumentata
(20 controlli e 6 casi).
In totale nel 2012 l’attività di analisi ha riguardato 149 soggetti normali e 209 soggetti con disturbi della sfera cognitiva.
Ricerca corrente
Prodotti scientifici
96
Articoli pubblicati nel 2012 su riviste internazionali peer-reviewed:
–– Rabuffetti M, Farina E, Alberoni M, Pellegatta D, Appollonio I, Affanni P, Forni M, Ferrarin M. Spatio-temporal
features of visual exploration in unilaterally brain-damaged
subjects with or without neglect: results from a touchscreen test. PLoS One. 2012; 7(2):e31511. doi: 10.1371/
journal.pone.0031511.
–– Pia L, Spinazzola L, Rabuffetti M, Ferrarin M, Garbarini F,
Piedimonte A, Driver J, Berti A. Temporal coupling due
to illusory movements in bimanual actions: Evidence from
anosognosia for hemiplegia. Cortex. 2012 Sep 5. doi:pii:
S0010-9452(12)00258-4. 10.1016/j.cortex.2012.08.017.
–– Garbarini F, Rabuffetti M, Piedimonte A, Pia L, Ferrarin
M, Frassinetti F, Gindri P, Cantagallo A, Driver J, Berti A.
“Moving” a paralysed hand: bimanual coupling effect in
patients with anosognosia for hemiplegia. Brain. 2012
May;135(Pt 5):1486-97. doi: 10.1093/brain/aws015.
Presentazioni nel 2012 a congressi e seminari:
–– Garbarini F, Pia L, Piedimonte A, Ferrarin, M, Solito G, Gindri P, Berti A (2012). Your hand is my hand! Bimanual coupling effect in a somatoparaphrenic patient. 30th European
Workshop on Cognitive Neuropsychology. Bressanone,
(Italia), 22-27 gennaio 2012.
–– Pia L, Garbarini F, Spinazzola L, Ferrarin M, Rabuffetti M,
Piedimonte A, Driver J, Berti A (2012). Interlimb coupling
due to illusory movements: evidence from anosognosia
for hemiplegia. In Abstracts of the Annual Cognitive Neuroscience Society (CNS) Meeting; Journal of Cognitive
Neuroscience (supp.).
–– Garbarini F, Pia L, Piedimonte A, Rabuffetti M, Solito G,
Gindri P, Berti A (2012). Your hand is my hand! Bimanual
coupling effect in a somatoparaphrenic patient. In Abstracts of the Annual Cognitive Neuroscience Society
(CNS) Meeting; Journal of Cognitive Neuroscience (supp.).

–– Garbarini F, Piedimonte A, Pia L, Rabuffetti M, Gindri P,
Berti A (2012). Bimanual coupling effect in somatoparaphrenic patients. In Abstracts of the spring meeting of the
Italian Society of Neuropsychology (SINP): 8.

Background
La somministrazione di farmaci, per patologie croniche o
neurodegenerative, attualmente presenta o un’elevata invasività (iniezioni ipodermiche, pompe impiantate chirurgicamente) oppure (cerotti transdermici) una limitazione nella
possibilità di modulare con rapidità il livello ematico di farmaco, a causa sia della natura puramente diffusiva del flusso
che dello strato corneo, in grado di bloccare il passaggio delle macromolecole. I dati presenti in letteratura suggeriscono
che la somministrazione “ideale” di farmaco dovrebbe combinare le caratteristiche dell’infusione continua subcutanea
mediante microinfusore e i vantaggi dei sistemi di rilascio
transdermico. Quindi, i sistemi di rilascio transdermico rappresentano una via di somministrazione razionale e assai più
comoda soprattutto per pazienti che devono seguire lunghe
terapie imbattendosi talvolta in disagi (Pfeiffer RF. 2005), in
particolare l’utilizzo di microaghi permetterebbe il passaggio
anche a macromolecole (Prausnitz MR and Langer R. 2008).
Obiettivi
Lo scopo del presente progetto è stato quello di ideare e
brevettare un applicatore, che si avvalesse di componenti
microstrutturate minimamente invasive, per il rilascio controllato di farmaci per via transdermica. Il dispositivo, nella
sua forma finale, è costituito da una cartuccia transdermica
(usa e getta con cappuccio protettivo), formata da una matrice di microaghi cavi atti a superare la “barriera” creata dallo
strato corneo, da un piccolo serbatoio, da una micropompa
per regolare il flusso di farmaco e da una fascia per il fissaggio al corpo. Lo sviluppo di tale dispositivo è di speciale importanza nelle terapie per malattie neurodegenerative
(Parkinson, Sclerosi Multipla) e croniche (diabete, artrite reumatoide), nelle quali sia richiesta una concentrazione costante di sostanze attive a livello ematico. Inoltre tale dispositivo,
in base all’altezza degli aghi utilizzati, potrebbe esser utilizzato nella somministrazione di vaccini ottenendo un’amplificazione della risposta immunitaria in seguito all’attivazione
delle cellule del Langherans che risiedono nell’epidermide.
Metodi:
Al fine di arrivare al deposito di un brevetto del nostro dispositivo transdermico e a un futuro trasferimento tecnologico,
è stato effettuato un “business model” articolato nelle seguenti fasi:
1. analisi delle patologie target per l’utilizzo del nostro dispositivo;
2. competitive intelligence per analizzare le potenziali aziende che lavorano nell’ambito dei sistemi transdermici;
3. SWOT analysis della nostra cartuccia;
4. profilazione finale del prodotto;
5. simulazione della fase di commercializzazione e delle revenues.
RELAZIONE ATTIVITÀ
L’attività per questo progetto non è stata effettuata nell’ambito sperimentale bensì, come sopra espresso, è stato sviluppato un business model del dispositivo transdermico
nell’ottica del technology transfer, sondando anche l’eventuale interesse di aziende biomedicali, e in secondo luogo
sono state studiate opportune modifiche all’attuale brevetto italiano (depositato il 27 dicembre 2010) per consentirne
un’estensione a brevetto internazionale PCT (depositato il
22 dicembre 2011). Il nostro scopo finale era quello di ottenere, da un’azienda, interessata allo sviluppo di nuovi dispositivi biomedicali, un finanziamento per la ricerca e sviluppo
pre-clinico e clinico del nostro dispositivo. Sono stati valutati
alcuni potenziali partner industriali, da noi precedentemente
individuati, per creare un’alleanza strategica nel mondo healthcare.
Questa prima fase (stesura business model) è stata un’utile
premessa per consolidare la nostra decisione nel procedere
verso un’estensione internazionale del brevetto italiano. A
tal proposito nella seconda parte dell’anno abbiamo colmato
alcuni aspetti rivelatisi lacunosi nel brevetto italiano, grazie
anche a un maggior approfondimento dello stato dell’arte
brevettuale internazionale.
Si è proceduto dando particolare rilievo agli aspetti realmente innovativi e differenziativi del nostro dispositivo, a partire
dai “claims”; sono state inoltre aggiunte o modificate alcune
figure, in modo da chiarire e mettere in evidenza per esem-
Ricerca corrente
Sviluppo di una “cartuccia transdermica” per
il rilascio controllato e modulabile di farmaci
Responsabile: Gramatica Furio
Linea di Ricerca 1
97
Linea di Ricerca 1
pio l’originalità della cartuccia transdermica con cappuccio
protettivo per non rendere visibili i microaghi (come da richiesta delle ultime normative).
Il business model, pur essendo tutt’oggi in fase di continua
evoluzione, ha rivelato che la nostra cartuccia transdermica
comprende tutte le caratteristiche necessarie per diventare
un dispositivo realmente innovativo e concorrenziale sia in
termini di adherence e compliance del paziente sia in termini
di efficacia (dati presentati nella relazione intermedia della
RC2011).
L’analisi effettuata sulle patologie d’interesse, tenendo in
considerazione i parametri costruttivi indicati nel brevetto
italiano e PCT della nostra cartuccia, ha evidenziato che potremmo dirigerci verso il trattamento di patologie che prevedono l’utilizzo di farmaci iniettivi a dosi fisse anche per più
volte al giorno.
Per esempio potrebbe esser utile per il Diabete di tipo II che
prevede l’uso di farmaci ipoglicemizzanti a base di GLP-1
(Byetta e Victoza), per il trattamento dell’Artrite Reumatoide
(Enbrel), per il trattamento dell’Anemia (Aranesp) o per il Parkinson con farmaci a base di levodopa.
La stesura per l’estensione a brevetto internazionale con le
modifiche sopra descritte è stata effettuata nella seconda
metà dell’anno e il brevetto PCT dal titolo: “Needle apparatus for the transdermal administration of drugs” è stato
depositato il 22 dicembre 2011.
Ricerca corrente
Prodotti scientifici
98
Abstract (impattati):
–– New Microtechnology-Enabled Biomedical Devices to
Overcome the Skin Barrier. Bedoni M, Forvi E, Morasso C,
Cassarà DG, Gramatica F. 41st Annual ESDR Meeting. 7-10
settembre. J Invest Dermatol. 2011; 131:S37.
Brevetti:
–– PCT/EP2011/073859: Applicant: Don Gnocchi Foundation.
Inventors: Gramatica F, Forvi E, Bedoni M, Cassarà DG,
Casella M. Title: Needle apparatus for the transdermal administration of drugs – 22 dicembre 2011.

Sviluppo di piattaforme per la rilevazione e analisi
di segnali biologici e comportamentali attraverso
sensori indossabili e sensori ambientali
e loro integrazione nella domotica sanitaria,
l’home care, telemedicina e teleriabilitazione
Responsabile: Di Rienzo Marco
Background
Da anni il Laboratorio di Ricerche Cardiovascolari (LaRC),
porta avanti attività finalizzate allo sviluppo di metodiche non
invasive e non intrusive 1) per la valutazione in fase di diagnosi e di trattamento farmacologico/riabilitativo della funzionalità cardiorespiratoria e dei suoi meccanismi di controllo
e 2) per lo studio dei meccanismi patofisiologici legati a disfunzioni del controllo neurogeno del circolo e delle strategie di adattamento del sistema cardiovascolare a condizioni
ambientali e comportamentali estreme. Alcune delle attività
sono svolte in collaborazione con il WeST-Lab e il Laboratorio
per l’Analisi dei Biosegnali.
Obiettivi
1. Sviluppare metodiche per la valutazione della funzionalità
elettromeccanica del cuore durante le 24 ore (in collaborazione con il WeSTLab) e del controllo neurogeno del
circolo attraverso l’analisi della variabilità di segnali cardiovascolari e respiratori;
2. creare strumenti software per la valutazione del controllo
barocettivo del cuore;
3. applicare le metodiche sviluppate per lo studio di patologie specifiche, per la valutazione degli effetti di trattamenti riabilitativi e farmacologici, e per lo studio dei meccanismi di controllo in condizioni ambientali alterate e/o
comportamentali particolari (alta quota, stress gravitazionale durante voli parabolici).
Metodi
A valle di una valutazione delle problematiche relative, lo sviluppo delle metodologie si è basato sulla creazione e implementazione di procedure software e protocolli sperimentali
innovativi. Tali metodiche sono quindi state utilizzate per la
sperimentazione su pazienti e, nei soggetti sani, durante attività in condizioni estreme.
Inoltre, come risultato delle attività svolte dal WeSTLab,
si sono rese disponibili registrazioni di segnali di interesse cardiovascolare finora non trattati dal nostro laboratorio
(impedenze toraciche, saturazione d’ossigeno, pulse wave
velocity e sismocardiogramma, SCG). Si è quindi avviato lo
sviluppo degli algoritmi necessari per l’analisi di questi segnali e l’estrazione dei parametri di interesse clinico, e si
è proceduto al disegno dei protocolli di acquisizione e allo
svolgimento delle attività sperimentali necessarie per la validazione dei risultati.
RELAZIONE ATTIVITÀ
L’attività principale di questo progetto ha riguardato lo sviluppo degli algoritmi per l’analisi del sismocardiogramma e
delle sue correlazioni con l’ECG, il respiro e la velocità di
trasmissione dell’onda sfigmica. Tali strumenti sono poi stati
utilizzati per una serie di indagini sperimentali.
La prima ha riguardato la verifica di fattibilità della rilevazione
del segnale SCG attraverso la maglietta MagIC durante le 24
ore. In 5 soggetti sani è stata effettuata una registrazione
di 24 ore in un giorno lavorativo. È necessario premettere
che la stima del SCG è possibile solo quando il soggetto è
fermo, poiché eventuali accelerazioni dovute al movimento
mascherano le vibrazioni cardiache che sono estremamente
deboli (nell’ordine dei milli-g). Dallo studio si è evidenziato
che 1) per una corretta stima del SCG è sufficiente che il
soggetto rimanga relativamente fermo per 5 secondi e 2)
in media ciascun soggetto rimane spontaneamente fermo
per più di 5 secondi diverse decine di volte per ciascuna ora
del giorno e, ovviamente, quasi sempre durante la notte. Da
questi dati si evince che nell’arco della giornata sia possibile
avere un alto numero di rilevazioni del SCG, e valutare con
estremo dettaglio la variabilità di questo segnale (e quindi
della meccanica cardiaca) in risposta alle varie sollecitazioni
imposte dalla vita quotidiana. Questi dati sono stati presentati al congresso IEEE EMBS 2012.
La seconda applicazione ha riguardato la valutazione in 6 soggetti dell’effetto dell’ipossia sull’attività cardiaca durante il
sonno in alta quota (4.554 m, Monte Rosa). Rispetto ai dati
registrati a terra, l’analisi dei dati ha mostrato come nel sonno
l’ipossia induca importati alterazioni nel SCG, con un aumento
consistente della ampiezza della vibrazione associata al primo
Linea di Ricerca 1
tono cardiaco, S1, e delle successive oscillazioni in bassa frequenza presenti nel segnale. Si è inoltre potuto dimostrare
che tali alterazioni non erano correlate alla presenza delle apnee centrali, che come noto, caratterizzano il sonno in quota.
Il significato biologico di questo risultato è oggetto di ulteriori
approfondimenti. Anche i risultati di questo studio sono stati
presentati al congresso IEEE EMBS 2012.
Inoltre, si è sviluppato un pacchetto software che permette
di ottenere dalle registrazioni di ECG e SCG una stima battito
a battito dei principali intervalli sistolici (PEP, LVET e QS2) legati alla contrattilità cardiaca. Questa metodica è stata utilizzata per esplorare le variazioni di meccanica cardiaca durante
variazioni posturali (supino vs ortostatismo) e durante l’attività quotidiana (in ufficio e nel tragitto verso casa). Attraverso
questa metodica è stato possibile fornire, per la prima volta,
una descrizione della dinamica battito a battito degli intervalli
sistolici. Questi dati, uniti alla stima del controllo autonomo
del cuore ottenuta attraverso l’analisi spettrale della frequenza cardiaca, sono stati oggetto di un articolo sottoposto al
“Journal of Autonomic Neuroscience” e attualmente in fase
di revisione.
In autunno abbiamo inoltre partecipato a una campagna di
voli parabolici e di test con l’Agenzia Spaziale Europea, allo
scopo di valutare le variazioni nella meccanica cardiaca indotte dalla microgravità, e nel dicembre 2012 a un workshop
sperimentale su ballistocardiografia e sismocardiografia organizzato a Vancouver dall’Aerospace Physiology Lab della
Simon Fraser University. In quest’ultima occasione abbiamo
avuto modo di confrontare, con esiti positivi, le misure del
SCG ottenute dal nostro sistema indossabile, con quelle ottenibili in laboratorio e in condizioni controllate dalle metodiche tradizionali.
Ulteriore attività del laboratorio ha riguardato la partecipazione a uno studio iniziato nel 2012 presso il Day Hospital e
l’Unità di Riabilitazione Cardiologica del Centro SMN della
Fondazione, e ancora in corso, sull’uso del farmaco Gylenia
in pazienti affetti da sclerosi multipla. Lo studio prevede la
valutazione degli effetti a lungo termine del farmaco sul sistema cardiovascolare. In questo ambito, il nostro laboratorio ha il compito di valutare gli effetti del farmaco sul control-
Ricerca corrente

99
Linea di Ricerca 1
lo autonomo del cuore attraverso il monitoraggio del segnale
ECG e della pressione arteriosa misurata in continuo con il
sistema Finometer. I pazienti vengono monitorati per periodi
di 20 minuti prima dell’inizio del trattamento, e poi 28 giorni,
3 e 6 mesi dopo la prima somministrazione. Le informazioni relative al controllo autonomo, in particolare barocettivo,
del circolo vengono derivate attraverso un software appositamente sviluppato dal laboratorio. La sperimentazione
attualmente coinvolge 40 pazienti trattati col farmaco e 24
come gruppo di controllo. Le analisi preliminari, da verificare
con una più accurata analisi statistica al termine dello studio,
sembrano indicare che a 3 mesi dalla prima somministrazione del farmaco possano esserci disfunzioni nel controllo
barocettivo del cuore.
Nel corso del 2012 si sono inoltre preparati e pubblicati due articoli, riportati nell’elenco allegato, relativi a lavori
sperimentali effettuati negli anni scorsi. Il primo riguarda il
ruolo del baroriflesso nello shock settico, mentre il secondo
riguarda la validazione clinica del sistema MagIC per il monitoraggio dell’elettrocardiogramma. Per i dettagli sugli studi
che hanno portato a queste pubblicazioni si rimanda ai lavori
stessi e alle precedenti relazioni della ricerca corrente.
Infine, in collaborazione con il Laboratorio di Biosegnali si è
giunti alla pubblicazione di un lavoro che approfondisce l’analisi delle dinamiche non lineari presenti nella variabilità dei
segnali cardiovascolari.
Ricerca corrente
Prodotti scientifici
100
Pubblicazioni:
–– Di Rienzo M, Racca V, Rizzo F, Bordoni B, Parati G, Castiglioni P, Meriggi P, Ferratini M. Evaluation of a textilebased wearable system for the electrocardiogram monitoring in cardiac patients. Europace. 2012 Dec 20. [Epub
ahead of print] PMID:23258818 [PubMed - as supplied by
publisher].
–– Porta A, Castiglioni P, Bari V, Bassani T, Marchi A, Cividjian
A, Quintin L, Di Rienzo M. K-nearest-neighbor conditional
entropy approach for the assessment of the short-term
complexity of cardiovascular control. Physiol Meas. 2013
Jan; 34(1):17-33. doi: 10.1088/0967-3334/34/1/17. Epub
2012 Dec 17. PMID:23242201 [PubMed - in process].

–– Radaelli A, Castiglioni P, Cerrito MG, De Carlini C, Soriano
F, Di Rienzo M, Lavitrano ML, Paolini G, Mancia G. Infusion of E. Coli Lipopolysaccharides Toxin in Rats Produces
an Early and Severe Impairment of Baroreflex Function in
Absence of Blood Pressure Changes. Shock. 2012 Nov 8.
[Epub ahead of print] PMID:23143068 [PubMed - as supplied by publisher].
Atti di Congresso con Doi:
–– Di Rienzo M, Meriggi P, Vaini E, Castiglioni P. Rizzo F. 24h
seismocardiogram monitoring in ambulant subjects, Engineering in Medicine and Biology Society (EMBC), 2012
Annual International Conference of the IEEE, 2012, pp.
5050-5053, Aug. 28 2012-Sept. 1 2012. doi: 10.1109/
EMBC.2012.6347128.
–– Castiglioni P, Meriggi P, Rizzo F, Vaini E, Faini A, Parati
G, Di Rienzo M. Seismocardiography while sleeping at
high altitude, Engineering in Medicine and Biology Society (EMBC), 2012 Annual International Conference of the
IEEE, 2012, pp. 3793-3796, Aug. 28 2012-Sept. 1 2012
doi: 10.1109/EMBC.2012.6346793.

Background
L’analisi strumentale del movimento umano, nelle sue componenti cinematiche, dinamiche ed elettromiografiche, consente di approfondire le conoscenze sulla fisiologia del movimento fondamentali per interpretare le alterazioni motorie
che si osservano nei pazienti affetti da patologie del sistema
neuro-muscolo-scheletrico. L’utilizzo di queste tecniche nei
pazienti con disordini motori riveste un ruolo importante sia
nella ricerca di base relativa ai meccanismi patofisiologici
che nelle applicazioni cliniche per i seguenti aspetti:
1. quantificare le alterazioni locomotorie presenti in varie
patologie nei diversi stadi della malattia (assessment/monitoring);
2. aiutare nella pianificazione dell’intervento terapeutico/riabilitativo (treatment decision making);
3. valutare quantitativamente l’efficacia di trattamenti terapeutici, chirurgici, riabilitativi, farmacologici (outcome assessment);
4. indirizzare nella scelta e personalizzare ausili, ortesi, protesi (device adaptation).
La letteratura su questi temi è molto ampia, in particolare
per quanto riguarda l’analisi del cammino in condizioni stazionarie, ma molto resta da fare nell’analisi di altri gesti motori sia di tipo locomotorio finora trascurati (per es. cammino
con svolta, inizio del cammino, salita/discesa di gradini) che
di tipo non locomotorio (stabilizzazione posturale, movimenti
degli arti superiori, delle mani, del tronco, del capo).
Obiettivi
Obiettivo principale dello studio è lo sviluppo e l’ottimizzazione di protocolli sperimentali di analisi del movimento
umano per l’approfondimento dei meccanismi fisiologici di
controllo neuromotorio e per l’analisi delle alterazioni indotte
da patologie specifiche a carico dei sistemi neuro-muscoloscheletrico.
Ulteriore obiettivo è l’applicazione di tali protocolli su gruppi
di soggetti sani, distinti per età, e gruppi omogenei di pazienti con disturbi motori, al fine di ottenere dei database
suddivisi per età, patologia, gravità della malattia, oltre che i
range di normalità.
Nel corso del 2012 sono stati portati avanti i seguenti sottoprogetti:
1. analisi dell’attività locomotoria a regime e nelle transizioni
di fase;
2. sviluppo di metodi per l’analisi del movimento degli arti
superiori tramite sistemi inerziali;
3. analisi dei disturbi locomotori in pazienti con malattia di
Charcot-Marie-Tooth.
Metodi
Come piattaforme tecnologiche sono state utilizzate le strumentazioni di analisi del movimento in dotazione presso il
laboratorio di analisi del movimento LAM del Polo Tecnologico (sistema optoelettronico stereofotogrammetrico a 9
telecamere SmartD BTS, 2 piattaforme dinamometriche Kistler, elettromiografi wireless ZeroWire, Aurion e FreeEmg,
BTS). Per l’elaborazione dei dati acquisiti sono stati sviluppati, in ambiente Matlab, dei modelli biomeccanici relativi
ai segmenti corporei analizzati (arti inferiori, bacino, tronco,
arti superiori, capo) e ai task motori considerati (locomozione, postura, reaching, grasping). È stata inoltre sviluppata
una procedura per l’elaborazione del segnale EMG che, attraverso un algoritmo di fattorizzazione, consente di risalire
ai moduli spinali di reclutamento dei diversi muscoli durante
l’esecuzione di movimenti volontari.
Inoltre sono stati utilizzati dei sistemi indossabili a sensori
inerziali (Xsense e Technobody) per lo studio del movimento
al di fuori del laboratorio (condizioni non confinate).
RELAZIONE ATTIVITÀ
Nel corso del 2012 sono stati portati avanti i seguenti sottoprogetti, alcuni dei quali già iniziati nell’anno precedente:
1. analisi dell’attività locomotoria a regime e nelle transizioni di fase. È stato sviluppato, sulla base di una collaborazione con il Prof. Bizzi del MIT di Boston, un metodo di
elaborazione del segnale EMG per l’identificazione delle
“sinergie muscolari” degli arti inferiori durante la locomozione. Questo metodo consente di ricavare informazioni
Ricerca corrente
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
Linea di Ricerca 1
101
Ricerca corrente
Linea di Ricerca 1
102
sul coordinamento motorio del SNC sulla molteplicità di
muscoli coinvolti nei movimenti volontari e su come tale
coordinamento risulta alterato in caso di lesioni cerebrali. La procedura è stata testata sui segnali EMG acquisiti
da 24 muscoli (12 per arto) su un soggetto sano durante
l’esecuzione di diversi task locomotori ed è stata poi applicata sui dati acquisiti su 3 soggetti emiplegici da ictus
cerebrovascolare, per valutare i cambiamenti nei pattern
di reclutamento da prima a dopo un trattamento riabilitativo intensivo su treadmill. I risultati di questa analisi
preliminare hanno verificato il corretto funzionamento delle procedure di elaborazione (in termini di congruità con
quanto riportato in letteratura per i soggetti sani) e hanno
mostrato nei pazienti un miglioramento delle sinergie muscolari da pre a post-riabilitazione (specificatamente una
maggiore stabilità del pattern di propulsione nella fase di
stance del cammino e una riduzione della co-attivazione
nella fase di swing);
2. sviluppo di metodi per l’analisi del movimento degli arti
superiori tramite sistemi inerziali. È stato sviluppato un
metodo per la valutazione strumentale dell’Action Research Arm Test (ARAT) tramite un sensore inerziale (Xsense) posizionato sul polso, il cui segnale accelerometrico
è stato utilizzato per calcolare indici di durata (durata di
ciascun task del Test e delle relative sottofasi di raggiungimento, presa, trasporto, rilascio, ritorno) e di fluidità del
movimento (jerk index). Il metodo è stato applicato su 12
soggetti sani e 14 pazienti con Sclerosi Multipla. È risultato che i pz. con SM hanno eseguito i task dell’ARAT test
con movimenti più lenti (durata: +70%, p<0,001) e più
segmentati (JI: +16%, p<0,01) rispetto ai controlli. Anche
le sotto-fasi di ogni task si sono dimostrate significativamente più lente e meno fluide. Le anomalie maggiori
sono state riscontrate nelle fasi di manipolazione e rilascio
dell’oggetto caratterizzate, rispettivamente, da un aumento della durata maggiore del 400% e del 200% e un aumento del jerk maggiore del 120% e del 40%, rispetto ai
valori normativi. L’analisi degli Z-score relativi alla durata
e all’indice di jerk ha dimostrato che entrambi i parametri sono significativamente correlati al punteggio attenuto

all’ARAT e sono in grado di discriminare tra diversi livelli di
compromissione dell’arto. Inoltre, lo Z-score relativo all’indice di jerk è risultato significativamente correlato al livello
di tremore misurato tramite la Fahn Tremor Rating Scale.
Nel corso del 2012 è stato anche pubblicato su rivista
indicizzata (Morelli et al., 2012) un articolo metodologico
di presentazione del sistema di monitoraggio dell’attività
a videoterminale per lo studio dei disturbi muscoloscheletrici degli arti superiori, già presentato in una relazione
precedente;
3. analisi dei disturbi locomotori nella malattia di CharcotMarie-Tooth. È continuata l’analisi strumentale longitudinale dei disturbi locomotori dei pazienti, adulti e bambini, con malattia di CMT. In particolare nel corso del 2012
sono stati analizzati altri 33 pazienti, di cui 18 di nuovo
reclutamento, 6 al primo follow-up, 9 al secondo followup. Inoltre è stato pubblicato su rivista indicizzata (Gait &
Posture) un lavoro sulla classificazione dei bambini con
CMT basata sui dati di gait analysis (Ferrarin et al., 2012)
ed è stata effettuata una presentazione a congresso sulla
progressione della malattia di CMT nei pazienti adulti, tramite l’analisi del follow-up a 18 mesi dei dati strumentali
(Lencioni et al., 2012).
Lo studio di follow-up a 18 mesi nei soggetti in età evolutiva con CMT ha mostrato il seguente quadro: 18 su 19 pz.
hanno modificato almeno uno dei due parametri biomeccanici associati ai segni primari (foot-drop e deficit di spinta), i
pz. originariamente appartenenti al sottogruppo asintomatico (pseudo-normali-PN) ha peggiorato il deficit di foot-drop
(-15%), quelli appartenenti al sottogruppo FD (con solo footdrop) non è cambiato significativamente, mentre quelli che
presentavano sia FD che deficit di spinta (FD&POD) e che
sono stati operati, hanno migliorato la spinta alla caviglia
(+58%) e i pattern di movimento articolare prossimali. Gli
score clinici non risultano significativamente modificati nei
tre sottogruppi. Si può quindi concludere che:
1. l’analisi strumentale della locomozione riesce a evidenziare le modeste modifiche che avvengono nei giovani con
CMT nell’arco di 18 mesi e che sfuggono alle valutazioni
cliniche;
2. l’approccio chirurgico nei pz. con FD&POD riesce a migliorare la fase di push-off del cammino.
Prodotti scientifici
–– Morelli S, Grigioni M, Ferrarin M, Boschetto A, Brocco M,
Maccioni G, Giansanti D. A monitoring tool of workers’
activity at Video Display Terminals for investigating VDTrelated risk of musculoskeletal disorders. Comput Methods Programs Biomed. 2012 Aug;107(2):294-307. doi:
10.1016/j.cmpb.2011.10.011. Epub 2011 Nov 26. PubMed PMID: 22119762.
–– Cattaneo D, Ferrarin M, Jonsdottir J, Montesano A, Bove
M. The virtual time to contact in the evaluation of balance disorders and prediction of falls in people with multiple sclerosis. Disabil Rehabil. 2012; 34(6):470-7. doi:
10.3109/09638288.2011.608144. Epub 2011 Oct 10. PubMed PMID: 21985076.
–– 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. 2012
Jan; 35(1):131-7. doi: 10.1016/j.gaitpost.2011.08.023.
Epub 2011 Sep 22. PubMed PMID: 21944474.
–– Lencioni T, Marchesi C, Rabuffetti M, Bovi G, Pagliano E,
Marchi A, Moroni I, Pareyson D, Ferrarin M. Gait classification in adult patients with different genotypes of CharcotMarie-Tooth disease, Gait & Posture, Volume 35, Supplement 1, April 2012, Pages S11-S12.
–– Castagna A, Rabuffetti M, Mazzoleni P, Romito L, Franzini
A, Albanese A, Ferrarin M. Zona incerta stimulation in a
patient with post traumatic complex tremor: Instrumented evaluation, Gait & Posture, Volume 35, Supplement 1,
April 2012, Pages S13-S14.
–– Carpinella I, Rizzone MG, Lopiano L, Lanotte M, Zibetti
M, Merola A, Ricchi V, Ferrarin M. Is there a dominant
subthalamic nucleus? Evidence from the effect of deep
brain stimulation on gait performance in subjects with Parkinson’s disease, Gait & Posture, Volume 35, Supplement
1, April 2012, Page S14.
–– Mazzoleni P, Rabuffetti M, Bovi G, Pigini L, Ferrarin M.
Comparative analysis of the biomechanical load of the up-
Linea di Ricerca 1
per limbs in VDT operators, Gait & Posture, Volume 35,
Supplement 1, April 2012, Page S32.
–– Castagna A, Rabuffetti M, Romito L, Franzini A, Albanese A, Montesano A, Ferrarin M. Quantitative analysis of
posttraumatic tremor following zona incerta stimulation.
XVI Int Congr of Parkinson’s Disease and Movement Disorders 17-21 June 2012.
–– Jonsdottir J, Lencioni T, Rabuffetti M, Cattaneo D, Montesano A, Ferrarin F. Changes in modular organization during walking of persons with hemiparesis after stroke following task oriented rehabilitation, comparison with motor
modules of healthy persons. XIII SIAMOC Congress 2012
Gait & Posture (in press).
–– Giansanti D, Morelli S, Maccioni G, Ferrarin M, Grigioni M.
Portable kit for monitoring the activity at the Video Display
Terminal, submitted to GNB2012, Rome 26-29 June 2012.
–– Lencioni T, Rabuffetti M, Bovi G, Marchesi C, Pagliano E,
Moroni I, Pareyson D, Ferrarin M. Natural history of CMT
disease: a 18months follow-up study through gait analysis.
XIII SIAMOC Congress 2012, Gait & Posture (in press).
Ricerca corrente

103
Linea di Ricerca 1
Sviluppo e applicazione di tecnologie innovative
per la neuroriabilitazione
Responsabile: Ferrarin Maurizio
BACKGROUND
La riabilitazione di pazienti con disabilità motorie può trarre
notevole vantaggio dalle possibilità offerte dalle tecnologie
avanzate. Dalla letteratura emerge, per esempio, che l’uso
della stimolazione elettrica funzionale nelle fasi precoci postictus facilita il recupero del controllo volontario del movimento se viene applicata in un contesto di riabilitazione orientata
al task motorio. Lo stesso sembra avvenire attraverso l’utilizzo di sistemi robotici che assistono il movimento o creano
campi di forze adattativi tali da indurre apprendimento motorio. L’efficacia di questi approcci è poi facilitata dal fornire
al paziente dei feedback informativi su come viene svolto il
compito o sulle caratteristiche qualitative di alcune variabili
biologiche (biofeedback).
Per ora questi approcci sono stati sviluppati e testati su casistiche molto ridotte (prevalentemente composte da pz.
post-ictus) a causa della complessità della strumentazione
disponibile. È quindi importante ottimizzare gli strumenti,
per favorirne un uso clinico più ampio, ed estendere le applicazioni a diverse patologie del sistema nervoso, sia con
insorgenza acuta che di tipo degenerativo.
Ricerca corrente
Obiettivi
104
Obiettivo del progetto è 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,
anche sulla base di simulazioni modellistiche, la realizzazione di prototipi, la loro validazione tecnica e l’applicazione
pilota su pazienti. In particolare Le tecnologie considerate
riguardano la stimolazione elettrica funzionale (FES), i dispositivi robotici a interfaccia aptica, i sistemi di biofeedback.
Nel corso del 2012 sono stati portati avanti i seguenti sottoprogetti:
1. ottimizzazione di sistemi di FES a controllo elettromiografico e loro applicazione per la riabilitazione dell’arto superiore in pz. con emiplegia (progetto MeCFES);

2. sviluppo e applicazione di protocolli per la riabilitazione
dell’arto superiore basati su sistemi aptici robotizzati;
3. sviluppo di sistemi indossabili per la riabilitazione locomotoria e posturale di pazienti con malattia di Parkinson (progetto GamePad).
Metodi
1. Questa attività si basa sull’uso del sistema MeCFES (Myoelectrically Controlled Functional Electrical Stimulator),
uno stimolatore elettrico funzionale sviluppato nel corso degli anni precedenti presso il Polo Tecnologico della
FDG. La peculiarità del sistema è che l’intensità della stimolazione erogata viene controllata in modo proporzionale dal segnale EMG registrato su un muscolo del paziente, permettendo quindi un controllo volontario diretto del
paziente sul reclutamento dei muscoli paretici. Il recente
sviluppo di un sistema a due canali di registrazione EMG
e di stimolazione ha consentito di aumentare l’applicabilità
del dispositivo e l’implementabilità di esercizi riabilitativi
su più muscoli simultaneamente. È in corso la valutazione
del sistema MeCFES multicanale tramite uno studio RCT
su pz. emiplegici da ictus in fase post-acuta (<6 mesi) o
cronica (>6 mesi) in collaborazioni con le stroke unit degli
osp. di Niguarda e di Monza, e con l’Ist. Palazzolo della
FDG. Il sistema viene impiegato durante 25 sedute di fisioterapia quotidiane e ne viene valutata l’efficacia a livello
di funzionalità dell’arto superiore (test ARAT, Fugl-Meyer),
disabilità (IPPA, Q-DASH) e qualità di vita (SF-16).
2. L’attività relativa allo sviluppo di protocolli per la riabilitazione dell’arto superiore fa uso di un sistema aptico robotizzato denominato “Braccio di Ferro”, un manipolatore attuato
a 2 gradi di libertà in grado di generare delle forze sul manipolatore in funzione del movimento esercitato dal paziente.
Il sistema fornisce inoltre un feedback visivo su monitor
della posizione del manipolatore rispetto a uno scenario virtuale mediante il quale si possono somministrare esercizi
di pointing e tracking. Il sistema è stato applicato durante
sedute di fisioterapia su pazienti con Sclerosi Multipla e
post-stroke. In particolare è stata confrontata, su pazienti
con SM, l’efficacia di un trattamento riabilitativo con o senza componenti manipolative (vedi paragrafo risultati).
3. Per il progetto GamePad, finalizzato allo sviluppo di sistemi indossabili per la riabilitazione locomotoria e posturale
di pazienti con malattia di Parkinson, si è scelto di utilizzare un sistema indossabile total-body, costituito da 10 unità
inerziali (TMA, Tecnobody, Italy) raggruppate in 5 coppie
posizionate, rispettivamente, sugli arti inferiori (coscia e
gamba), superiori (braccio e avambraccio), tronco e bacino. Ogni unità inerziale è composta da magnetometro,
accelerometro e giroscopio triassiali e trasmette i dati al
PC (fs=50 Hz) in modalità wireless. Nella programmazione del dispositivo sono stati finora implementati 3 esercizi
relativi al controllo del tronco in standing, in tandem stance e durante la salita-discesa da un gradino. In tali esercizi,
ai pazienti viene fornito come feedback visivo l’andamento temporale degli angoli di inclinazione antero-posteriore
e medio-laterale del tronco. Il compito è di controllare le
oscillazioni di tali angoli mantenendole inferiori a una soglia visualizzata sullo schermo. Finora tali esercizi sono
stati testati su 4 pazienti con MP per 10 sedute ciascuno
per valutarne l’applicabilità in ambiente clinico.
RELAZIONE ATTIVITÀ
1. È stata completata la realizzazione hardware e firmware
del dispositivo MeCFES bicanale ed è stata depositata la
domanda per la brevettazione di un particolare aspetto
circuitale (Domanda brevetto n. TV2012A000026). Sono
stati implementati ulteriori programmi per l’utilizzo del segnale EMG anche in modalità inibitoria, opzione utile nei
casi di iperattività muscolare.
Per quanto riguarda lo studio RCT su pz. post-ictus sono
stati finora reclutati 27 pazienti (19 sub-acuti, 8 cronici) di
cui 14 trattati e 13 di controllo. Dall’analisi dei dati finora
raccolti, emerge una maggior efficacia del MeCFES rispetto alla terapia standard nel miglioramento della funzionalità dell’arto superiore (Test ARAT), ma bisognerà attendere
il completamento dello studio per stabilire la significatività
statistica di questi risultati. Nel 2012 è stata completata la
stesura e sottomissione di due lavori a riviste indicizzate:
uno riguarda lo studio pilota di efficacia del MeCFES nella
riabilitazione della mano di pz. post-ictus (Thorsen et al., in
press su J Rehab Res Dev) e il secondo è relativo alla cor-
Linea di Ricerca 1
relazione tra livello della lesione midollare, forza muscolare e funzionalità della mano in pazienti con lesione spinale
cervicale (in fase di revisione finale da parte dell’European
J Phys Rehabil Medicine). È infine conclusa l’analisi dei
dati relativi all’efficacia del sistema MeCFES come strumento di ausilio per pazienti tetraplegici da lesione cervicale ed è in corso la scrittura di un lavoro.
2. Nell’ambito della riabilitazione assistita da braccio robotico, nel 2011 si è concluso lo studio comparativo di efficacia tra esercizi con e senza componenti manipolative. I 22
pazienti con SM sono stati allocati a uno dei due protocolli, entrambi di 8 sedute. I risultati hanno mostrato che
entrambi i protocolli di robot therapy hanno prodotto una
riduzione del tremore, un miglioramento della cinematica e delle abilità funzionali degli arti superiori. Inoltre, il
protocollo con componenti manipolative ha determinato,
rispetto all’altro, un guadagno funzionale maggiore nei
task di presa grossolana (grasp ARAT score: +77,4% vs
+29,5%, p=0,035) ma non in quelli di presa fine (precision
grip). Questi risultati sono stati pubblicati sull’IEEE Trans
Neural Syst Rehabil Eng (Carpinella et al., 2012).
3. Il sistema indossabile per la riabilitazione basato su sensori
inerziali è stato utilizzato dai terapisti su pz. con Malattia di
Parkinson durante sessioni fisioterapiche in palestra: complessivamente l’applicabilità del sistema è stata valutata in
40 differenti sedute con risultati incoraggianti per quanto riguarda l’usabilità, sia da parte dell’operatore che del paziente. Inoltre, i dati estratti hanno fornito indicazioni compatibili
con un miglioramento delle capacità di controllo del tronco da parte dei pazienti. A titolo esemplificativo, in Fig. 1
vengono riportati i segnali relativi alla variazione dell’angolo
di inclinazione antero-posteriore del tronco durante l’esecuzione del task in tandem stance di un soggetto prima e
dopo trattamento, da cui si deduce una notevole riduzione
delle oscillazioni (RMS pre=5,9°; RMS post=2,1°).
Sono stati individuati alcuni aspetti critici che si intende
superare col procedere dei lavori: in particolare, la modalità di feedback scelta dovrà essere più facilmente leggibile
e interpretabile per tenere conto dei deficit cognitivi che
possono accompagnare la malattia.
Ricerca corrente

105
Linea di Ricerca 1
PRODOTTI SCIENTIFICI
– Carpinella I, Cattaneo D, Bertoni R, Ferrarin M. Robot training of upper limb in multiple sclerosis: comparing protocols with or without manipulative task components.
IEEE Trans Neural Syst Rehabil Eng. 2012 May; 20(3):35160. doi: 10.1109/TNSRE.2012.2187462. PubMed PMID:
22623407.
– Bonora G, Carpinella I, Cattaneo D, Ferrarin M. The “Gamepad” project: development of new instrumental methods for motor reahbilitation in subjects with Parkinson’s
Disease. Submitted to XIII SIAMOC Congress 2012 (in
press).
– Del Din F, Del Din S, Bertoldo S, Sawacha Z, Rabuffetti M,
Laganà M, Jonsdottir J, Baglio F, Rigato A, Rovaris M, Cobelli C, Ferrarin M. “fMRI and Gait Analysis in Post-Stroke
Biofeedback Rehabilitation: a Case Study”, Rome 26-29
June 2012.
Angolo di inclinazione antero-posteriore
15
pre (RMS=5.915)
post (RMS=2.079)
Angolo [°]
10
5
0
-5
-10
Fig. 1
10
20
30
40
50
Ricerca corrente
tempo [s]
106
Andamento pre-post dell’angolo di inclinazione antero-posteriore del
tronco in uno dei soggetti trattati
Tecniche avanzate di analisi di biosegnali:
sviluppo di algoritmi per sistemi complessi
e dispositivi portatili
Responsabile: Castiglioni Paolo
BACKGROUND
Lo sviluppo tecnologico mette a disposizione dispositivi portatili per misure fisiologiche non intrusive di lungo periodo.
Da questa opportunità nasce l’esigenza di estrarre informazioni affidabili sulla salute del paziente da registrazioni ottenute in condizioni meno controllate che in laboratorio, tenendo inoltre conto delle inerenti caratteristiche di complessità
dei segnali così ricavati.
In particolare sono ora disponibili dispositivi per rilevare
segnali elettrocardiografici (ECG) e accelerometrici sul lungo periodo senza interferire con le attività del soggetto. La
quantità di dati a disposizione richiede nuovi algoritmi per
valutare automaticamente l’affidabilità di tali misure e per
estrarne informazioni di utilità clinica. Inoltre si diffonde l’uso
di dispositivi portatili per il monitoraggio ambulatorio della
pressione arteriosa su 24 ore. La dinamica di questo segnale
può contenere informazioni sullo stato di salute del paziente, come l’eventuale presenza di sodio-sensibilità. È questo
un fattore di rischio spesso non diagnosticato perché classificare un paziente come sodio-sensibile o sodio-resistente
richiede procedure laboriose, con diete a basso e alto carico
di sodio. È stato però suggerito che una dieta troppo ricca di
sale inibisce la caduta pressoria notturna nell’iperteso sodiosensibile. Se simili alterazioni si verificassero anche durante
dieta abituale, si potrebbe stimare il rischio di sodio-sensibilità da un semplice monitoraggio pressorio.
Durante tali monitoraggi, la presenza di innumerevoli stimoli
ambientali, di strutture anatomiche con geometria frattale e
di interazioni tra sistemi fisiologici di controllo, può produrre
segnali con peculiari dinamiche “complesse”. Per ricavare
informazioni di utilità clinica, si richiedono quindi algoritmi
disegnati per quantificare aspetti di “complessità”, come la
dimensione frattale del segnale. In genere la stima della dimensione frattale richiede lunghe serie temporali mentre, in
applicazioni cliniche, si ha a disposizione un numero limitato
di misure. È quindi importante disporre di metodi affidabili

Obiettivi
Diversi sono stati gli obiettivi di questo progetto. Il primo
obiettivo ha riguardato la definizione di nuovi algoritmi per
estrarre informazioni di interesse clinico da dispositivi di
monitoraggio ambulatorio della pressione. In particolare,
scopo di questa parte del progetto è stato di verificare se
è possibile valutare il rischio di sodio-sensibilità da monitoraggi pressori eseguiti durante dieta abituale, e di stimare la
dimensione frattale delle serie derivate da tali monitoraggi.
Il secondo obiettivo ha riguardato la definizione di algoritmi
d’analisi per segnali ECG e accelerometrici registrati in soggetti liberi di muoversi per quantificare in modo automatico
la qualità dei segnali e per ricavare informazioni sulla meccanica cardiaca.
Il terzo obiettivo è stato proporre e validare nuovi algoritmi
per descrivere in modo efficace le caratteristiche di complessità dei segnali fisiologici, e in particolare per valutare il
ruolo giocato dal sistema nervoso autonomo nel determinare la struttura frattale dei tracciati cardiovascolari.
Metodi
Per lo studio di nuovi metodi di analisi per monitoraggi ambulatori di pressione su 24 ore, si sono considerate registrazioni raccolte dal reparto di Cardiologia della Fondazione Don
Gnocchi di Parma in 46 ipertesi non trattati. Questi soggetti
erano poi stati sottoposti al test dietetico tradizionale per la
stima dell’indice di sodio-sensibilità e per essere classificati come soggetti sodio-sensibili o sodio-resistenti. Dal monitoraggio pressorio si è identificata l’eventuale presenza
di “nondipping pressorio notturno” e di elevata frequenza
cardiaca come possibili indicatori di sodio-sensibilità. I pazienti sono stati suddivisi in classi di rischio: basso rischio
se assenti entrambi gli indicatori; rischio intermedio se presente un solo indicatore; alto rischio se presenti entrambi
gli indicatori. È stato inoltre proposto un indice di rischio di
sodio-sensibilità ricavato esclusivamente dal monitoraggio
pressorio, moltiplicando la caduta pressoria notturna con la
frequenza cardiaca. Per la stima della dimensione frattale
delle serie pressorie, è stato testato un nuovo algoritmo su
segnali sintetizzati di dimensione frattale nota. L’algoritmo è
stato poi applicato separatamente su tracciati diurni e notturni in due volontari sani.
Per valutare automaticamente la qualità dei tracciati ECG,
è stato progettato un algoritmo basato sulla “Cepstral
Analysis”, poi testato su registrazioni in volontari, confrontando la classificazione dell’algoritmo con quella manuale
effettuata da esperti. Si è inoltre proposto un algoritmo basato sull’analisi congiunta di ECG e accelerazioni sternali per
identificare i suoni cardiaci, poi testato su registrazioni in 7
volontari, in posizione supina ed eretta, e su polisonnografie ottenute a livello del mare e a 4.554 m di quota in due
ulteriori volontari. I segnali sono stati raccolti col dispositivo
MagIC in collaborazione con il laboratorio WeSTLab e il reparto di Medicina Sportiva della Fondazione Don Gnocchi di
Milano, e con l’Ospedale S. Luca di Milano.
Per valutare l’influenza del sistema nervoso autonomo sulle caratteristiche di complessità dei segnali cardiovascolari,
sono stati analizzati tracciati precedentemente registrati in 9
volontari sani prima e durante blocchi autonomici selettivi, e
in 11 ratti prima e durante blocco simpatico completo in collaborazione col dipartimento di Fisiologia dell’Università di Lione e con l’Ospedale San Gerardo di Monza. In collaborazione
con l’Istituto di malattie cardiovascolari di Zagabria, si è invece
valutata l’efficacia degli indici di complessità della frequenza
cardiaca nel descrivere alterazioni del controllo simpatico cardiaco in 25 pazienti affetti da sindrome di Takotsubo.
RELAZIONE ATTIVITÀ
Il gruppo di pazienti classificati “ad alto rischio di sodiosensibilità” sulla base del monitoraggio pressorio ha un indice di sodio-sensibilità e una prevalenza di soggetti sodiosensibili (come ottenuti dal test tradizionale) sostanzialmente maggiori del gruppo a “basso rischio”. Inoltre l’indice di
sodio-sensibilità ricavato unicamente dal tracciato pressorio
si correla significativamente con l’indice tradizionale. È quindi
possibile ricavare informazioni sul rischio di sodio-sensibilità
da un semplice monitoraggio pressorio durante dieta abitua-
Ricerca corrente
per il calcolo della dimensione frattale di serie di lunghezza
limitata. Per quanto poi riguarda i meccanismi di regolazione
cardiocircolatori, è ancora poco nota l’influenza del sistema
nervoso autonomo sulle caratteristiche di complessità dei
segnali di frequenza cardiaca e di pressione arteriosa.
Linea di Ricerca 1
107
Ricerca corrente
Linea di Ricerca 1
108
le. Inoltre l’analisi di dati sintetizzati indica che si può stimare
la dimensione frattale di serie stocastiche di lunghezza pari
a quelle ricavabili da monitoraggi pressori nei sottoperiodi
diurno e notturno. L’applicazione su dati ottenuti in volontari
suggerisce la presenza di modulazioni giorno-notte indipendenti dalla variabilità complessiva del segnale.
Il confronto tra classificazione automatica e manuale della
qualità del segnale ECG ha mostrato la capacità dell’algoritmo proposto in questa ricerca di identificare in tempo reale
artefatti e alterazioni del segnale, e di riconoscere la derivazione migliore in tracciati a più derivazioni. L’algoritmo per
identificare i suoni cardiaci è stato capace di distinguere l’istante di occorrenza nel battito cardiaco del primo e secondo
suono, rivelando significative differenze legate alla postura
o dovute alla ipossia che si verifica durante sonno in alta
quota.
Gli esperimenti con blocco autonomico selettivo hanno mostrato che indici di complessità a breve termine dipendono
principalmente dalle efferenze vagali per la frequenza cardiaca, e dalle efferenze simpatiche per la pressione arteriosa sistolica. Ciò suggerisce che le informazioni ricavabili dalla dinamica complessa a breve termine della pressione arteriosa e
della frequenza cardiaca sono complementari. Inoltre i blocchi
autonomici hanno indicato che le efferenze vagali contribuiscono con una componente di “rumore bianco” alla struttura
frattale dei segnali cardiovascolari, mentre le efferenze simpatiche contribuiscono con una componente di moto browniano, sia nel modello animale che nell’uomo. I risultati sono
verosimilmente dovuti alla differente dinamica di diffusione e
riassorbimento dei neurotrasmettitori simpatici e vagali. Infine
l’analisi delle registrazioni in pazienti con sindrome di Takotsubo ha mostrato che rispetto agli indici di variabilità cardiaca
tradizionalmente impiegati, alcuni indici di complessità sono
più sensibili nel descrivere le alterazioni del controllo ortosimpatico associate a questa condizione clinica.
Prodotti scientifici
Articoli:
–– Castiglioni P, Parati G, Brambilla L, Brambilla V, Gualerzi
M, Di Rienzo M, Coruzzi P (2011). Detecting sodium-sensitivity in hypertensive patients: information from 24-hour

ambulatory blood pressure monitoring. Hypertension.
57(2):180-5.
–– Castiglioni P, Parati G, Lombardi C, Quintin L, Di Rienzo M
(2011). 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). 56(4):175-83.
–– Krstacic G, Parati G, Gamberger D, Castiglioni P, Krstacic
A, Steiner R (2012). Heart rate variability and nonlinear dynamic analysis in patients with stress-induced cardiomyopathy. Med Biol Eng Comput Aug.
–– Porta A, Castiglioni P, Di Rienzo M, Bari V, Bassani T, Marchi A, Takahashi ACM, Tobaldini E, Montano N, Catai AM,
Barbic F, Furlan R, Cividjian A, Quintin L (2012). Short-term
complexity indexes of heart period and systolic arterial
pressure variabilities provide complementary information.
J Appl Physiol 15; 113(12):1810-20.
Proceedings:
–– Castiglioni P, Di Rienzo M, Parati G, Faini A (2011). Fractal Dimension of Mean Arterial Pressure and Heart-Rate
Time Series from Ambulatory Blood Pressure Monitoring
Devices. In: Computing in Cardiology 2011 vol. 38, 593596.
–– Castiglioni P, Meriggi P, Faini A, Di Rienzo M (2011). Cepstral Based Approach for Online Quantification of ECG
Quality in Freely Moving Subjects. In: Computing in Cardiology 2011 vol. 38, 625-628.
–– Castiglioni P, Meriggi P, Rizzo F, Vaini E, Faini A, Parati G,
Merati G, Di Rienzo M (2011). Cardiac sounds from a wearable device for sternal seismocardiography. Engineering
in Medicine and Biology Society (EMBC), 2011 Annual International Conference of the IEEE, 4283-6.
–– Castiglioni P, Meriggi P, Rizzo F, Vaini E, Faini A, Parati G,
Di Rienzo M (2012). Seismocardiography while sleeping
at high altitude. Engineering in Medicine and Biology Society (EMBC), 2012 Annual International Conference of
the IEEE, 3793- 3796.
–– Castiglioni P (2012). Self-similarity in physiological time
series: New perspectives from the temporal spectrum of
scale exponents. In: Lecture Notes in Computer Science,

Valutazione genetica e funzionale delle qualità
neuromuscolari (guida alla prescrizione
dell’esercizio fisico terapeutico)
Responsabile: Melchiorri Giovanni
Background
Il progetto di ricerca “Valutazione genetica e funzionale delle
qualità neuromuscolari” prevedeva all’atto della presentazione una durata di 36 mesi. La necessità di un tempo così
lungo era motivata dalla necessità di ottenere la necessaria
strumentazione (elettromiografo e dinamometro) e il materiale per la valutazione genetica e dalla complessità della
procedura sperimentale. Con i fondi già stanziati da questa
Fondazione nel precedente anno abbiamo potuto comperare
solo l’elettromiografo per cui non è stato possibile iniziare i
test. I due tipi di valutazione, elettromiografica di superficie
e genetica, infatti dovrebbero essere svolti negli stessi giorni. Non potendo disporre dei kit per la valutazione genetica
abbiamo dovuto rimandare l’inizio della procedura sperimentale. Con i prossimi fondi che dovrebbero essere erogati in
questo anno sarà possibile comperare il materiale per la valutazione genetica e quindi entrare nella fase sperimentale
vera e propria. Intanto abbiamo concluso l’addestramento
all’utilizzo del nuovo e più sofisticato elettromiografo di superficie e contattato i soggetti che dovrebbero parteciapare a
questo studio. I soggetti che parteciperanno volontariamente alla ricerca si sono recati presso il Centro S. Maria della
Pace di Roma dove hanno conosciuto le finalità e le modalità
del progetto di ricerca. Contestualmente è stato eseguito un
esame clinico e raccolta un’anamnesi patologica e sportiva
per ottimizzare il loro insermento nei “sottogruppi” previsti
dal progetto di ricerca.
Obiettivi
Migliorare la prescrizione dell’esercizio terapeutico.
Metodi
Confronto tra la valutazione funzionale e il patrimonio genetico.
RELAZIONE ATTIVITÀ
Addestramento con le nuove strumentazioni. Iniziato il reclutamento.
Ricerca corrente
Vol. 7548, 2012 LNBI, Springer Berlin Heidelberg, pp. 164175. ISBN 978-3-642-35685-8.
–– Castiglioni P, Di Rienzo M, Radaelli A (2012). Effects of
Sympathetic Ganglionic Blockade on Fractal and Spectral
Components of Blood Pressure and Heart Rate in FreeMoving Rats. Proceedings of the 7th Esgco 2012, April 2225, 2012, Kazimierz Dolny, Poland; O04.
Abstract:
–– Castiglioni P, Parati G, Brambilla L, Brambilla V, Gualerzi M, Di Rienzo M, Coruzzi P (2011). Reduced nocturnal
pulse pressure dipping in salt-sensitive mild hypertensive subjects also during habitual diet. A screening tool for
sodium sensitivity? Journal of Hypertension, 1A.08, 29,
e-Supplement A.
–– Castiglioni P, Parati G, Brambilla L, Brambilla V, Gualerzi
M, Di Rienzo M, Coruzzi P (2011). A novel index of sodium-sensitivity derived from 24-hour ambulatory blood
pressure recordings performed under usual diet. Journal
of Hypertension, PP31.76, 29, e-Supplement A.
–– Castiglioni P, Di Rienzo M, Radaelli A (2012). Sympathetic
Tone and Self-Similarity of Blood Pressure and Heart Rate
in Free Moving Rats. World Congress on Medical Physics and Biomedical Engineering, WC2012, Beijing 2012,
A11648, TH.09/02.2-6.
–– Castiglioni P, Di Rienzo M, Meriggi P, Faini A (2012). Online
Quantification of ECG Signal Quality by Cepstral Analysis.
World Congress on Medical Physics and Biomedical Engineering, WC2012, Beijing 2012,A11653, TH.09/03.1-7.
Linea di Ricerca 1
109