Sviluppata macchina per l’allenamento individuale della schiena

Tuttavia: “Anche i giovani lamentano sempre più dolori alla schiena. Questa tendenza non è iniziata solo con i blocchi del Covid-19”, afferma il prof. Rainer Burgkart della TUM Klinikum rechts der Isar. Dal Burden Disease Incidence Study, condotto nel 2020 dal Robert Koch Institute (RKI), con i dati di oltre 5.000 pazienti in Germania, è emerso che quasi due terzi degli intervistati (61,3%) avevano sofferto di mal di schiena nell’anno precedente . Il mal di schiena ha colpito il 55% delle donne e il 48,6% degli uomini, mentre una donna su tre (32,6%) e un uomo su cinque (22%) soffrivano di mal di schiena. Alcuni anni fa l’Istituto per l’economia e il management sanitario della Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) stimò l’impatto economico di queste malattie a circa 50 miliardi di euro. Cosa si può fare? “La fisioterapia e l’allenamento mirato dei muscoli e della coordinazione sono molto efficaci e vengono spesso prescritti in caso di dolori alla schiena non specifici e diagnosticati frequentemente”, afferma il dott. Burgkart, specialista ortopedico. “Tuttavia, una volta terminato il trattamento mirato, la maggior parte dei pazienti ritorna ai vecchi modelli di comportamento e i muscoli della schiena si indeboliscono nuovamente.” Un’invenzione di TUM e Klinikum rechts der Isar, il GyroTrainer, è progettata per promuovere in futuro esercizi per la schiena a lungo termine e su misura.

GyroTrainer: l’algoritmo decide l’intensità dell’allenamento

Il Prof. Burgkart della Klinikum rechts der Isar, in collaborazione con l’Istituto di robotica e intelligenza artificiale di Monaco (MIRMI) della TUM, il produttore di attrezzature per il fitness Erhard Peuker GmbH e lo specialista di hardware e software B&W Embedded Solutions GmbH, ha sviluppato il GyroTrainer — un dispositivo per l’allenamento dei muscoli della schiena che può essere adattato alle capacità dei singoli utenti. Il lavoro è stato svolto nell’ambito di un progetto di ricerca triennale. Il GyroTrainer è basato su una piattaforma rotonda di 50 cm di diametro. Può essere inclinata in avanti, indietro e lateralmente e può anche ruotare. Assomiglia a un giroscopio, progettato per rimanere in equilibrio in un’ampia gamma di configurazioni e posizioni.

Balance Board come punto di partenza

Un principio simile viene utilizzato nel GyroTrainer. Gli utenti salgono sulla piattaforma rotonda e cercano di mantenere l’equilibrio. Sensori e motori elettrici situati sotto la piattaforma registrano i movimenti dell’utente e possono inclinare e ruotare il disco. Il dispositivo funziona come una tavola di equilibrio, con la differenza che la rigidità può essere variata. La sfida per gli utenti è mantenere l’equilibrio. “Preparare correttamente il dispositivo non è semplicemente questione di adattarlo al singolo utente”, afferma la ricercatrice Elisabeth Jensen del MIRMI. “Per prima cosa dobbiamo trovare la giusta rigidità per quella persona.” Se l’utente riesce a mantenere comodamente l’equilibrio ad un determinato livello di rigidità per un certo periodo di tempo, un algoritmo di apprendimento decide la giusta impostazione iniziale per la piattaforma in modo che non sia né troppo facile né troppo difficile per la persona.

Concetto di gioco: rafforzare la schiena giocando

Quindi può iniziare la formazione vera e propria. “I nostri partner di cooperazione hanno sviluppato un gioco per computer in cui il controllo avviene tramite i movimenti dell’utente”, spiega Jensen, ricercatore della TUM. È modellato sul gioco Space Invaders. L’astronave del giocatore spara automaticamente agli invasori a intervalli regolari mentre cerca di eludere i colpi in arrivo. “Ciò richiede abilità e concentrazione”, spiega Jensen. Meno rigida è l’impostazione della piattaforma, più difficile sarà mantenere la stabilità e guidare l’astronave. “È anche possibile aggiungere fattori di disturbo”, spiega lo specialista in ortopedia Burgkart. La piattaforma ruota improvvisamente a sinistra o a destra, il che rende ancora più difficile per l’utente rimanere in equilibrio. “All’inizio la piattaforma sembra abbastanza solida sotto i piedi dell’utente, ma gradualmente diventa più instabile. E infine, per gli utenti in ottime condizioni, inizia a dare spinte extra”, spiega Burgkart. Utilizzando sensori elettromiografici (EMG), il team ha confermato che il sistema attiva efficacemente i muscoli addominali e della schiena che sono importanti per la stabilità della colonna vertebrale e che l’attività diventa ancora più impegnativa con il movimento rotatorio. Quanto meno rigido diventa il sistema e quanto più frequenti sono le rotazioni improvvise, tanto maggiore è lo sforzo a carico dei muscoli. “I movimenti di equilibrio sono tra i metodi più efficaci”, afferma Burgkart. Egli ritiene che il nuovo dispositivo di allenamento dovrebbe essere utilizzato principalmente a scopo preventivo, sia per i pazienti primari, che presentano un “rischio elevato”, sia per i pazienti secondari, che in passato hanno sofferto di mal di schiena.

Prossimi passi: dal concept al prodotto

Dopo quasi tre anni di ricerca ora è chiaro: il GyroTrainer funziona come previsto e soddisfa il suo scopo medico. “Ci sono ancora alcuni passi da compiere prima che possa essere utilizzato come prodotto”, afferma il Prof. Burgkart. Il requisito più importante per il futuro: i ricercatori vogliono che l’apparecchio, che per motivi di sicurezza deve ancora essere utilizzato dai ricercatori della TUM, sia adatto all’uso senza fisioterapista o allenatore. Vogliono anche che sia in grado di adattarsi dinamicamente alle capacità del singolo utente. Il GyroTrainer determina già la rigidità individuale tramite approssimazioni e può apportare modifiche in qualsiasi momento utilizzando i dati misurati. In futuro, la funzione di intelligenza artificiale del dispositivo funzionerà come un sistema logico indipendente e sicuro per impostare la rigidità iniziale e selezionare il livello di difficoltà delle corrispondenti opzioni di gioco. Sarà inoltre in grado di apportare modifiche in base alle sensazioni dell’utente durante la giornata, ai livelli di affaticamento e ai progressi dell’allenamento personale. Un ultimo requisito importante per il nuovo trainer per la schiena: deve adattarsi a qualsiasi soggiorno: la visione del Prof. Burgkart: “La macchina deve essere mobile in modo che le persone possano allenarsi regolarmente senza dover andare dal fisioterapista.”