Come funzionano le protesi

In seguito a un’amputazione o alla perdita di un arto, le protesi consentono di riacquistare alcune delle funzionalità perdute. Molte protesi aiutano le persone amputate a ritrovare un senso di indipendenza e libertà. Inizialmente, le protesi erano piuttosto semplici e agevolavano solo nelle funzioni di base, ma quelle moderne sono molto più complesse e permettono di eseguire molte più azioni simili a quelle di un arto naturale. In futuro, i protesisti sperano di sviluppare protesi che funzionino in modo identico, se non addirittura migliore, rispetto a un arto biologico.

Le prime protesi

La maggior parte delle prime protesi era passiva e avevano una funzione essenzialmente cosmetica, essendo completamente immobili. Erano solitamente fissate con cinghie di cuoio. È noto che il generale romano Marco Sergio utilizzasse una mano di ferro che gli consentiva di reggere lo scudo in battaglia. Sono state trovate diverse protesi egiziane in legno e cuoio da parte dei patologi. Durante il Medioevo, i cavalieri privi di arti potevano adoperare protesi speciali per sostenere scudi, lance e spade.

Protesi del XX secolo

Prima del XX secolo, la maggior parte delle invasioni protesiche avevano un design squadrato e offrivano poco spazio, causando vari problemi come dolore e disagio. Negli anni ’80, John Sabolich sviluppò il metodo CAT-CAM (Contoured Adducted Trochanteric-Controlled Alignment Method) per le protesi delle gambe. Diversamente dai prototipi precedenti, le imbottiture CAT-CAM erano sagomate per adattarsi meglio ai tessuti muscolari e si estendevano fino al bacino, includendo un meccanismo di blocco osseo che stabilizzava il femore durante determinati movimenti, garantendo una migliore distribuzione del peso e supporto.

Come si agganciano le protesi moderne

La maggior parte delle protesi moderne utilizza fodere che aderiscono all’arto residuo per offrire comfort e prevenire problemi come la sudorazione. Una volta fissata la fodera, si possono adottare diversi metodi di aggancio:

• La sospensione anatomica si avvale dei contorni delle ossa dell’arto residuo a cui la protesi può ancorarsi.
• La sospensione per aspirazione utilizza una valvola per espellere l’aria dall’invasatura, creando pressione negativa tra essa e l’arto.
• La sospensione a vuoto asporta l’aria dall’invasatura per generare pressione negativa.
• I sistemi di sospensione a navetta si basano su un perno alla base della fodera che si aggancia alla protesi.
• Un sistema a cordicella impiega una fodera con cinghia incorporata, che può passare attraverso un meccanismo di blocco sulla protesi.

Protesi alimentate dal corpo

Una delle maggiori innovazioni nel campo è stata quella delle protesi che si muovono attraverso l’uso dei muscoli residui. Molti utenti di protesi di arti superiori optano per imbracature corporee che permettono di muovere il gomito, la mano o l’aggancio della protesi mediante movimenti corporei. In pratica, un cavo collega la protesi a un’imbracatura posta su spalle e schiena. Muovendo il corpo, il cavo viene tirato, inducendo specifici movimenti. Un alzare di spalle può contrarre la mano, permettendo di afferrare oggetti.

Caratteristiche aggiuntive

I protesisti, ovvero coloro che costruiscono protesi, sono costantemente impegnati a risolvere i problemi riscontrati dai loro clienti. Per esempio, molte persone che utilizzano protesi per gambe e piedi soffrono di affaticamento, andatura non simmetrica e limitata velocità di camminata. Attraverso l’uso di molle e motori, i protesisti hanno potuto progettare caviglie protesiche con diversi livelli di rigidità per affrontare questi problemi. Problemi come la stabilità su terreni irregolari sono affrontati con protesi dotate di motori capaci di adattare automaticamente la posizione della caviglia e del piede.

Stampa 3D

Le protesi complesse sono generalmente costose, ma la stampa 3D ha reso possibile la produzione di alcune protesi alimentate dal corpo con costi inferiori ai 150 dollari in materiali. Le stampanti 3D realizzano ogni componente singolarmente, e le protesi devono essere assemblate. Grazie a corde tendinee flessibili in gomma, diventano interamente alimentate dal corpo. Le protesi più comuni create con la stampa 3D includono mani che si chiudono con il movimento del polso. Le protesi stampate sono ideali per bambini perché sono leggere e personalizzabili. Inoltre, poiché i bambini crescono rapidamente, spesso hanno bisogno di adattamenti costosi e frequenti ai loro nuovi arti; con le stampanti 3D, basta stampare un nuovo pezzo.

Protesi motorizzate

Le protesi alimentate dal corpo sono facili da usare, ma mancano di complessità. Le più recenti protesi motorizzate consentono una gamma più ampia di azioni e un controllo più preciso, pur essendo più difficili da usare. Un sensore elettrico è posizionato sopra alcuni muscoli dell’arto residuo, rilevando il movimento muscolare e segnalando alla protesi di eseguire un’azione, similmente a come avviene in maniera biologica. Per renderle più intuitive, i ricercatori stanno sperimentando l’uso di elettrodi direttamente collegati ai nervi.

Feedback bidirezionale

Uno dei limiti più significativi delle protesi è l’assenza di feedback. Quando una mano biologica tocca un oggetto, il corpo riceve diversi input, percependo consistenza, temperatura, dimensione e altri attributi, e modulando la pressione necessaria. Le protesi attuali non sono in grado di replicare queste sensazioni, ma i ricercatori stanno cercando di simulare tali segnali. Una tecnica prevede l’uso di parti meccaniche che comprimono la parte superiore del braccio quando la mano si contrae; un’altra utilizza vibrazioni.

Esoscheletri

Quando si pensa alle protesi, viene spesso in mente la sostituzione di un arto. Tuttavia, con l’evoluzione della tecnologia, anche le persone che non hanno subito amputazioni possono beneficiare delle protesi. Alcuni ingegneri biomedici stanno progettando esoscheletri per persone con paralisi alle gambe. Sebbene molti di questi individui possano compiere movimenti lievi, non sono abbastanza per sostenere il loro peso o camminare. I ricercatori connettono elettrodi alla corteccia cerebrale, al midollo spinale, ai nervi periferici o alle terminazioni muscolari, che possono percepire l’intenzione di movimento e istruire l’esoscheletro di conseguenza. L’esoscheletro si affida a un sistema sofisticato per eseguire i movimenti desiderati.

Il futuro delle protesi

Il principale limite delle attuali protesi motorizzate è la loro mancanza di precisione. Ogni protesi richiede un periodo di adattamento poiché i movimenti da compiere differiscono da quelli di un arto naturale. Con l’avanzare della tecnologia, i ricercatori sperano di riuscire a ottenere segnali accurati dal cervello tramite elettrodi, per consentire movimenti fluidi e naturali. Un passo avanti in questo campo è stato fatto impiantando chip nel cervello di una donna tetraplegica di 52 anni. Questi chip, contenenti 96 microelettrodi posizionati vicino ai neuroni che controllano il braccio e la mano destra, inviano segnali a una mano robotica. Grazie a questa tecnologia innovativa, la donna è riuscita a stringere la mano a un’altra persona e a mangiare una barretta di cioccolato.