Progetto di un dispositivo dedicato all'applicazione clinica di vibrazioni meccaniche localizzate ed analisi delle relative sperimentazioni

In Rehabilitation Medicine, therapeutic application of vibration energy in specific clinical treatments and in sport rehabilitation is being affirmed more and more. Vibration exposure can have positive or negative effects on the human body, depending on the features and time of the characterizing wave. Short periods of vibration exposure and specific frequency values can determine positive adjustments of human body. Human body doesn’t vibrate like a unique body, but every element regarding its own resonance frequency can cause an amplification or attenuation of the vibrations applied. This is the reason why vibration application mechanisms are crucial: if applied in non specific way, Whole Body Vibration (WBV) treatments could have non positive effects. In order to focus the effect of vibration in the specific treatment area, local vibrations (LV) have been introduced in rehabilitation medicine. The initial aim of the present study was to translate the medical necessity of applying local vibration in clinical treatments into scientific-engineering language, producing a design solution. In collaboration with Boscosystem Company, a manufacturer of rehabilitation medicine and sport training devices, we have produced a specific prototype for LV application on human body. The device is user friendly, “auto-applicable” to the patient, it preserves clinical operator from vibration stress and it makes LV applications ergonomic. Then, we have tested our prototype, verifying that the vibration produced by it and applied on human body has objectively detectable effects, analyzing the behaviour of muscles in rest time and under vibration energy, by using surface electromyography, obtaining a greater response in the second scenary. Subsequently, a real clinical inquiry was made about the device effectiveness and its clinical use on patients. To achieve this goal, in collaboration with the Company Program of Physical Medicine and Day-Hospital Rehabilitation of Policlinico Tor Vergata in Rome, we have applied therapeutic exercise by vibration (TEV) produced by our device on a male patient with a non-union right tibial fracture. In itinere radiological images and Bone Mass Index analysis allow us to state that TEV, made by using our device, contributes decisively to the therapy of pathologies concerning disorders of bone callous forming, resolving the consolidation delay, reducing patient healing time; moreover it isn’t negligible the improvement induced on the patient, as far as paraesthetic symptomatology and reduction of perilesion edema are concerned. The next target of our study was the inquiry of TEV metabolic effects on the application muscle. So, we have used a Tissue Oximeter installed at Fatebenefratelli Isola Tiberina Hospital in Rome, that is able to detect Hb and HbO2 concentration trend, by using NIRS (Near InfraRed Spectroscopy). By making measurements during TEV application, it was possible to obtain information about metabolic activity in the treated area (biceps in our case). By analyzing Hb and HbO2 trends, we have shown a variation of total Hemoglobine, of oxygenated and non-oxygenated Hemoglobine and of oxygen saturation: in particular, we have shown an increase of oxygenated Hemoglobine. More measurements revealed us that, although Hemoglobine concentration increase could be partially caused by temperature rise, Local Vibrations themselves induce sensible variations.

Nell’ambito della medicina riabilitativa, si sta affermando sempre più l’applicazione terapeutica di vibrazioni meccaniche nel trattamento di specifiche patologie cliniche e nel settore della riabilitazione sportiva. L’esposizione alle vibrazioni può avere sull’organismo effetti positivi o negativi in funzione del tipo d’oscillazione e della durata dell’esposizione stessa. Le vibrazioni meccaniche, se applicate per periodi d’esposizione ridotti e frequenze d’oscillazione dell’ordine di 15-50 Hz, non solo non comportano alcun effetto negativo a livello organico, ma al contrario possono indurre adattamenti positivi del corpo umano. Il corpo umano però non vibra come una massa unica con un’unica frequenza naturale, ma ogni sua componente ha la propria frequenza di risonanza, il che provoca un’amplificazione o attenuazione delle vibrazioni di input da parte di ogni segmento corporeo. Per questo motivo è necessario porre particolare attenzione alla modalità di trasmissione delle vibrazioni meccaniche al corpo umano: queste difatti, se applicate all’intero corpo in maniera troppo aspecifica (Whole Body Vibration), hanno un effetto che non sempre risulta benefico. Ecco perché è di primaria importanza localizzare le suddette vibrazioni ad un segmento corporeo ben preciso e focalizzarne il più possibile l’effetto nella zona di interesse. Pertanto nel presente lavoro si sono esaminate le modalità con le quali tradurre l’esigenza medica di avere a disposizione un dispositivo dedicato all’applicazione localizzata di vibrazioni meccaniche controllate in ambito clinico, in linguaggio scientifico-ingegneristico, cercando di produrne una soluzione progettuale. In collaborazione con la ditta Boscosystemlab, impegnata nel settore della produzione di dispositivi per la riabilitazione e l’allenamento fisico, si è ideato ed implementato un prototipo specifico per l’applicazione clinica di vibrazioni locali al corpo umano. L’apparecchio implementato rende ergonomica l’applicazione locale delle vibrazioni, è “auto-applicabile al paziente”, protegge l’operatore clinico dalle sollecitazioni vibratorie applicate al paziente ed è di agevole utilizzo. Dopo aver implementato il nostro dispositivo, abbiamo verificato che la somministrazione delle sollecitazioni meccaniche erogate da esso ed applicate sul corpo producessero degli effetti oggettivamente rilevabili, effettuando misure elettromiografiche di superficie, analizzando il comportamento dei muscoli a riposo e durante l’applicazione su di essi delle vibrazioni prodotte dal prototipo, rilevando una risposta muscolare maggiore nel secondo caso. Successivamente si è posta in essere una reale indagine clinica basata su sperimentazioni effettuate sul campo. In collaborazione con il Programma Aziendale di Medicina Fisica e Riabilitazione Ambulatoriale della Fondazione Policlinico Tor Vergata di Roma si è somministrato l’Esercizio Terapeutico Vibratorio (ETV), utilizzando il nostro dispositivo, ad un paziente con frattura della tibia destra con ritardo di consolidazione o pseudoartrosi. Le immagini radiologiche in itinere e la successiva analisi mediante l’introduzione dell’Indice di Massa Ossea (IMO) ci inducono ad affermare che la terapia vibratoria applicata con il prototipo, contribuisce in maniera decisiva alla terapia di quei quadri patologici che si presentano con disturbi della formazione del callo osseo, riuscendo a risolvere il ritardo di consolidazione, riducendo notevolmente i tempi di recupero del paziente; non è da trascurare inoltre il miglioramento indotto sullo stesso in merito alla sintomatologia parestesica ed alla risoluzione dell’edema perilesionale. L’obiettivo seguente è stato quello di verificare l’effetto delle vibrazioni a livello metabolico sul muscolo di applicazione. In quest’ottica abbiamo deciso di utilizzare un ossimetro tissutale, installato presso l’Ospedale Fatebenefratelli dell’Isola Tiberina di Roma, in grado di rilevare l’andamento delle concentrazioni di Hb e HbO2, facendo uso della NIRS (Near InfraRed Spectroscopy). Effettuando delle misure durante l’applicazione dell’ETV, è stato possibile ricavare informazioni inerenti l’attività metabolica muscolare nella zona trattata (il bicipite destro nelle nostre misure). Analizzando gli andamenti ottenuti da queste misurazioni si rileva una variazione della concentrazione di emoglobina totale, ossigenata, e non ossigenata e della percentuale di saturazione di ossigeno: in particolare per quel che concerne l’emoglobina ossigenata si riscontra un aumento della sua concentrazione. Ulteriori misurazioni ci rivelano che sebbene le variazioni di concentrazione dell’emoglobina possano essere provocate in parte da un aumento di temperatura superficiale, anche le stesse vibrazioni meccaniche inducono variazioni rilevanti.