Cionic Neural Sleeve è una calza elettronica progettata per supportare la deambulazione in persone con gravi difficoltà motorie. Questo dispositivo elettronico utilizza impulsi elettrici per stimolare la contrazione dei muscoli delle gambe, facilitando il movimento e migliorando l’autonomia nella camminata.
La Società Italiana di Elettronica ha intervistato tre degli attori principali che hanno preso parte al progetto: Alberto Botter e Giacinto Luigi Cerone, rispettivamente Professore Associato e Ricercatore presso il Dipartimento di Elettronica e Telecomunicazioni del Politecnico di Torino (Gruppo LISiN – Laboratorio di Ingegneria del Sistema Neuromuscolare), e Domenico Pisaturo, Chief Product Officer di Cionic, azienda dedita alle applicazioni elettromedicali fondata nel 2018 con sede a San Francisco.
Giacinto Luigi Cerone: “Questo progetto, sviluppato in collaborazione con l’azienda Cionic, riguarda la realizzazione di uno stimolatore neuromuscolare avanzato, capace di attivare i muscoli delle gambe attraverso impulsi elettrici. L’obiettivo è ripristinare le funzioni motorie compromesse da patologie che ostacolano l’attivazione dei muscoli necessari alla deambulazione. Un sistema di controllo riconosce le diverse fasi del passo e determina gli istanti di erogazione degli impulsi elettrici che stimolano i muscoli al momento opportuno durante il cammino”.
Alberto Botter aggiunge: “Si tratta di un progetto a forte impronta bioingegneristica, in quanto affronta sfide legate alla stimolazione e alla rilevazione di segnali provenienti da tessuti biologici. L’aspetto centrale risiede nella capacità di sviluppare soluzioni elettroniche avanzate per interfacciarsi efficacemente con il sistema biologico. Siamo stati coinvolti nel progetto per questa nostra specifica competenza, propria dell’ingegnere biomedico, che utilizza le metodologie e le tecnologie dell’ingegneria al fine di risolvere problematiche di interesse medico. Nella nostra esperienza ci siamo occupati di progettare la parte di stimolazione elettrica neuromuscolare e quindi abbiamo integrato conoscenze di elettronica e quelle relative a diverse altre discipline, dalla fisica alla fisiologia umana”.
Domenico Pisaturo: “In Cionic, la nostra missione è rendere la tecnologia accessibile per migliorare la vita delle persone con disabilità motorie. Cionic Neural Sleeve rappresenta un passo avanti significativo verso questo obiettivo. Abbiamo sviluppato un’unità di controllo che si integra perfettamente con la calza, garantendo una stimolazione muscolare efficace e anche la facilità d’uso del dispositivo, evitando lo stigma associato ai dispositivi medici. Il progetto è stato estremamente complesso e per questo abbiamo richiesto il supporto del Politecnico di Torino, un’eccellenza in questo campo. L’intero sistema è stato progettato per essere comodo, facile da usare e per rispondere alle esigenze quotidiane degli utenti. Grazie alla sua elevata connettività, il Cionic Neural Sleeve può essere aggiornato continuamente, acquisendo nuove funzionalità e migliorando l’efficacia nel tempo, rendendolo uno strumento innovativo nella riabilitazione neuromuscolare”.
Come funziona una calza elettronica?
Al suo interno, la calza è dotata di elettrodi integrati per la stimolazione e la rilevazione di segnali elettromiografici di superficie, collegati a un’unità elettronica di controllo, grande meno di uno smartphone. Gli elettrodi di stimolazione vengono applicati sulla cute e devono essere sostituiti ogni tre settimane. Inoltre, la calza incorpora connessioni necessarie per gli elettrodi e un connettore per l’unità di controllo, che include una batteria con un’autonomia di 8 ore per un uso continuativo. A parte gli elettrodi, che sono l’unico componente da sostituire periodicamente, tutti gli altri elementi del sistema sono riutilizzabili.
Giacinto Luigi Cerone: “Ci è stato richiesto di progettare uno stimolatore elettrico in grado di stimolare i muscoli senza compromettere eccessivamente la capacità di rilevare i segnali generati dai muscoli stessi, sia in risposta alla stimolazione sia durante contrazioni volontarie dei soggetti. Una delle principali sfide di questi dispositivi è che l’erogazione di impulsi elettrici, caratterizzati da una tensione relativamente alta tra gli elettrodi sviluppata in tempi molto brevi, può saturare o “accecare” i sistemi di rilevazione, rendendo difficile l’analisi e l’interpretazione dei segnali muscolari. Inoltre, il dispositivo doveva essere progettato per essere miniaturizzato, wireless e indossabile, rispondendo così a requisiti di portabilità ed ergonomia”.
Alberto Botter: “Il nostro lavoro si basa sull’utilizzo di impulsi di corrente mediante differenze di potenziale applicate dagli elettrodi che possono arrivare ad avere ampiezza dell’ordine di centinaia di Volt, mentre contemporaneamente rileviamo segnali muscolari con un’ampiezza nell’ordine di centinaia di micro-Volt. Questa complessa combinazione richiede la progettazione di un sistema capace non solo di stimolare efficacemente i muscoli, ma anche di rilevare in modo preciso i segnali elettrici generati, senza interferenze. Per soddisfare tali esigenze, abbiamo dovuto effettuare scelte progettuali mirate, sviluppando dispositivi che integrino entrambe le funzioni, stimolazione e rilevazione della risposta biologica, in un unico sistema altamente efficiente.
Questo sistema, inoltre, non si limita alle gambe, ma può essere applicato a tutti i muscoli scheletrici. Ad esempio, può essere utilizzato per controllare la chiusura e l’apertura della mano. Nel caso della deambulazione, è necessario stimolare un numero relativamente ridotto di muscoli, mentre per il controllo della mano, i muscoli coinvolti sono più numerosi, come quelli dell’avambraccio. La configurazione di stimolazione diventa quindi molto più complessa, anche perché i muscoli del braccio e della mano sono di dimensioni più ridotte e richiedono una stimolazione più mirata e precisa”.
I ricercatori spiegano che lo stadio di stimolazione sviluppato è di tipo ibrido. Durante la stimolazione, il dispositivo opera in modalità a corrente costante, iniettando una determinata quantità di cariche elettriche in un intervallo di tempo definito, invece di applicare una differenza di potenziale diretta tra gli elettrodi. La caratteristica ibrida del sistema consente, al termine dell’impulso, di passare alla modalità a tensione costante. Questo cambiamento permette di rimuovere rapidamente le cariche residue all’interfaccia tra gli elettrodi e la cute, facilitando il ripristino dello stato di equilibrio e riducendo i tempi di accecamento dei dispositivi di rilevazione dei segnali elettromiografici di superficie.
Grazie a questa soluzione, i dispositivi di rilevazione possono tornare operativi in tempi più brevi, migliorando significativamente la qualità dell’acquisizione dei segnali muscolari e la loro interpretazione.
Domenico Pisaturo: “Al di là di tutti gli aspetti tecnici, l’obiettivo di questo progetto complesso e delle sue soluzioni elettroniche è semplice ma di fondamentale importanza: aiutare le persone a riconquistare la propria indipendenza, evitare l’isolamento, tornare o continuare a lavorare, e quindi condurre una vita normale. Forse questo è l’aspetto più gratificante del progettare una soluzione del genere”.
Giacinto Luigi Cerone conclude l’intervista con una riflessione: “L’avvicinamento al mondo dell’elettronica, a prescindere dalla specifica applicazione della stessa, deve essere alimentato fin dai primi anni di vita. Iniziare a studiare l’elettronica all’Università è troppo tardi. Occorre promuovere iniziative che sensibilizzino i ragazzi e le ragazze ad avvicinarsi al mondo dell’elettronica, un campo che non riguarda solo la costruzione di robot o progetti complessi, ma che affonda le radici anche nell’affascinante e vitale mondo dell’elettronica di base che è un prerequisito fondamentale per lo sviluppo consapevole di progetti complessi e ambiziosi”.
