deformità della colonna vertebrale, come la scoliosi idiopatica e la cifosi (nota anche come "gobbo"), sono caratterizzati da una curvatura anormale della colonna vertebrale. Ai bambini con queste deformità spinali si consiglia in genere di indossare un tutore che si adatti al busto e ai fianchi per correggere la curva anormale. È stato dimostrato che il tutore previene la progressione della curva anormale ed evita l'intervento chirurgico. La tecnologia alla base del rinforzo non è cambiata radicalmente negli ultimi 50 anni.

Sebbene il tutore possa arrestare/ritardare la progressione delle curve anormali della colonna vertebrale negli adolescenti, gli attuali tutori impongono una serie di limitazioni a causa della loro rigidità, statico, e design senza sensori. Inoltre, gli utenti li trovano scomodi da indossare e possono soffrire di lesioni cutanee causate da prolungate, forza eccessiva. Inoltre, l'incapacità di controllare la correzione fornita dal tutore rende difficile per gli utenti adattarsi ai cambiamenti del tronco nel corso del trattamento, con conseguente diminuzione dell'efficacia.

Per ovviare a queste carenze, I ricercatori della Columbia Engineering hanno inventato un nuovo esoscheletro robotico per la colonna vertebrale (RoSE) che potrebbe risolvere la maggior parte di queste limitazioni e portare a nuovi trattamenti per le deformità della colonna vertebrale. Il RoSE è un tutore spinale dinamico che ha permesso al team di condurre il primo studio che esamina le misurazioni in vivo della rigidità del busto e caratterizza la rigidità tridimensionale del busto umano. Lo studio è stato pubblicato online il 30 marzo in Transazioni IEEE di sistemi neurali e ingegneria della riabilitazione .

"Per quello che ci risulta, non ci sono altri studi su corsetti dinamici come il nostro. Studi precedenti usavano cadaveri, che per definizione non forniscono un quadro dinamico, " dice il ricercatore principale dello studio Sunil Agrawal, professore di ingegneria meccanica alla Columbia Engineering e professore di riabilitazione e medicina rigenerativa alla Columbia University Vagelos College of Physicians and Surgeons. "Il RoSE è il primo dispositivo per misurare e modulare la posizione o le forze in tutti e sei i gradi di libertà in regioni specifiche del busto. Questo studio è fondamentale e crediamo porterà a entusiasmanti progressi sia nella caratterizzazione che nel trattamento delle deformità della colonna vertebrale. "

Sviluppato nel laboratorio di robotica e riabilitazione (ROAR) di Agrawal, la RoSE è composta da tre anelli posti sul bacino, medio-toracico, e regioni toraciche superiori della colonna vertebrale. Il movimento di due anelli adiacenti è controllato da un robot azionato in parallelo a sei gradi di libertà. Globale, il sistema dispone di 12 gradi di libertà comandati da 12 motori. Il RoSE può controllare il movimento degli anelli superiori rispetto all'anello del bacino o applicare forze controllate su questi anelli durante il movimento. Il sistema può anche applicare forze correttive in direzioni specifiche pur consentendo il movimento libero in altre direzioni.

Allo studio pilota hanno partecipato otto soggetti maschi sani e due soggetti maschi con deformità della colonna vertebrale, che è stato progettato per caratterizzare la rigidità tridimensionale dei loro torsi. I ricercatori hanno utilizzato il RoSE, controllare la posizione/orientamento di specifiche sezioni trasversali dei torsi dei soggetti misurando contemporaneamente le forze/momenti esercitati.

I risultati hanno mostrato che la rigidità tridimensionale del torso umano può essere caratterizzata utilizzando il RoSE e che le deformità della colonna vertebrale inducono caratteristiche di rigidità del torso significativamente diverse dai soggetti sani. Le curve anormali spinali sono tridimensionali; quindi le caratteristiche di rigidità sono specifiche della curva e dipendono dalle posizioni dell'apice della curva sul torso umano.

"I nostri risultati aprono la possibilità di progettare tutori spinali che incorporino caratteristiche di rigidità del busto specifiche del paziente, " dice il co-investigatore principale dello studio David P. Roye, un chirurgo della colonna vertebrale e un professore di ortopedia pediatrica presso l'Irving Medical Center della Columbia University. "I nostri risultati potrebbero anche portare a nuovi interventi utilizzando la modulazione dinamica delle forze tridimensionali per il trattamento della deformità della colonna vertebrale".

"Ci siamo basati sui principi utilizzati nei tutori spinali convenzionali, cioè., per fornire un carico a tre punti all'apice della curva utilizzando i tre anelli per adattarsi perfettamente al busto umano, " dice l'autore principale Joon-Hyuk Park, che ha lavorato a questa ricerca come studente di dottorato e membro del team presso il laboratorio ROAR di Agrawal. "Per caratterizzare la rigidità tridimensionale del torso umano, la RoSE applica sei spostamenti unidirezionali in ogni DOF del torso umano, a due diversi livelli, misurando contemporaneamente le forze e i momenti."

Mentre questo primo studio ha utilizzato un corsetto maschile progettato per gli adulti, Agrawal e il suo team hanno già progettato un tutore per le ragazze poiché la scoliosi idiopatica è 10 volte più comune nelle ragazze adolescenti rispetto ai ragazzi. Il team sta attivamente reclutando ragazze con scoliosi per caratterizzare come varia la rigidità del busto a causa di una tale condizione medica.

"La differenza direzionale nella rigidità della colonna vertebrale può aiutare a prevedere quali bambini possono potenzialmente beneficiare del tutore ed evitare un intervento chirurgico, "dice Agrawal.