Sensorization of a passive halo-gravity traction device for remote patient monitoring

Scoliosis is the most well-known spinal deformity in literature, associated with a deviation of the spine in the frontal plane. During the developmental age, it can manifest as an extremely debilitating condition, causing a continuous worsening of the curvature, reaching Cobb angles higher than 50°. A series of complications may arise, leading to a deformation of the rib cage and subsequent impairment of the respiratory and cardiac capacity of the child. In cases in which the Cobb angle is very high, exceeding 50°, the solution employed is a spinal fusion surgery, involving the placement of pedicle screws and rods along the vertebral column to reduce the curvature by immobilizing the affected vertebral segment. In this context, halo-gravity traction (HGT) is applied as a preoperative treatment, involving the application of traction along the spine for a period ranging from 1 to 3 months, with gradual increments. The traction system is connected to the halo-ring, a ring fixed to the patient’s skull using screws. The goal of the therapy is to increase the flexibility of the spine and decrease its curvature before the surgical procedure, thereby reducing complications and surgical time. The literature demonstrates the effectiveness of the treatment, achieving corrections of 45% considering an initial Cobb angle of 90°. However, there is a lack of standardization in the therapy protocol, the absence of devices in the market, and the lack of objective measurements of key treatment parameters, such as the applied traction load on the patient. In collaboration with the IRCCS Eugenio Medea “La Nostra Famiglia”, a new passive spinal traction device has been previously developed to reduce traction variation in response to changes in the patient’s posture. In this thesis, the passive structure is equipped with a load cell for traction measurements, while a distance sensor and an inertial measurement unit (IMU) attached to the halo allow for the approximate reconstruction of the head’s position as an indicator of the patient’s posture. The acquired data are presented to clinicians through displays mounted on a case and dashboards enabling remote monitoring of the entire treatment. Preliminary tests on healthy subjects are conducted to assess the proper functioning of the data acquisition chain and the reliability of each sensor, also comparing experimental data with a mechanical model of the sensorized passive structure.

La scoliosi è la deformità spinale più nota in letteratura associata ad una deviazione della colonna vertebrale nel piano frontale. Nell’età dello sviluppo essa può presentarsi come una condizione estremamente debilitante provocando un peggioramento continuo della curva fisiologica della colonna, raggiungendo angoli di Cobb maggiori di 50°. Una serie di complicazioni può insorgere provocando deformazioni della gabbia toracica e conseguente compromissione della capacità respiratoria e cardiaca del bambino. A valori così elevati dell’angolo di Cobb la soluzione impiegata è un intervento di fusione spinale che prevede l’impianto di viti peduncolari e barre lungo la colonna vertebrale al fine di diminuire la curvatura immobilizzando il tratto di vertebre coinvolto. In questo contesto si inserisce l’halo-gravity traction, un trattamento preoperatorio che consiste nell’applicare una trazione lungo la colonna vertebrale per un periodo che va da 1 a 3 mesi con incremento giornaliero. Il sistema di trazione viene collegato all’halo-ring, un anello fissato al cranio del paziente mediante delle viti. L’obiettivo della terapia è quello di aumentare la flessibilità della colonna vertebrale e diminuirne la curvatura prima dell’atto chirurgico in modo da ridurne le complicazioni ed il tempo operatorio. In letteratura è evidente l’efficacia del trattamento raggiungendo correzioni del 45% a partire da un angolo di Cobb di 90°. Tuttavia, emerge una mancata standardizzazione del protocollo della terapia, l’assenza di un dispositivo presente sul mercato e l’assenza di misurazioni oggettive dei parametri principali del trattamento come, ad esempio, il valore di trazione applicato sul paziente. Collaborando con l’IRCCS Eugenio Medea “La Nostra Famiglia”, un nuovo dispositivo passivo di trazione spinale è stato precedentemente sviluppato al fine di diminuire la variazione di trazione a fronte di un cambiamento di postura del paziente. Con il presente lavoro di tesi la struttura passiva viene sensorizzata mediante una cella di carico per la misurazione della trazione mentre un sensore di distanza ed una IMU solidale all’halo consentono la ricostruzione approssimata della posizione della testa come indicatore della postura assunta dal paziente. I dati acquisiti vengono mostrati al personale sanitario tramite display montati su un case e mediante dashboard che permettono il monitoraggio da remoto dell’intero trattamento. Dei test preliminari su soggetti sani per valutare il corretto funzionamento della catena di acquisizione e l’affidabilità di ogni singolo sensore vengono svolti andando, inoltre, a confrontare i dati sperimentali con un modello meccanico della struttura passiva sensorizzata.