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1. Figura 4 1 color map delle pressioni di contatto tra testa femorale ed acetabolo durante il cammino Si rende necessario fare un piccolo appunto poich il metodo fornisce una soluzione del sistema definito dall equazione 4 1 che in quanto discretizzazione di un continuum non esatta e sulla quale si renderanno necessarie valutazioni e considerazioni sull accettabilit in funzione del grado di approssimazione ottenuto se paragonato con quanto ci si possa attendere nella realt L utilizzo a livello software di color maps fig 4 1 per visualizzare la distribuzione dei valori delle incognite sulle singole parti che compongono l assembly d insieme che si stia andando ad analizzare un indubbio aiuto in quanto le macchie di colore dove ad un gradiente di colori viene associato un range di valori numerici a livello visivo aiutano l operatore a capire il grado di coerenza ed affidabilit del risultato Applicando il concetto all ambito di studio di questo lavoro ricordiamo che l introduzione dello stesso per quanto riguarda le analisi di contatto tra protesi e moncone avvenuta nella seconda met degli anni 80 si pu notare che il vantaggio principale proveniente da questo tipo di approccio se confrontato col metodo sperimentale la possibilit di variare i singoli parametri che compongono il modello potendone valutare a priori l effetto di ognuno ottenendo quindi un feedback quantitativo senza la neces
2. amputazioni di arto inferiore a loro volta divise in amputazione delle dita parziale amputazione del piede Chopart Lisfranc disarticolazione della caviglia Syme Pyrogoff amputazione sotto al ginocchio transtibiale amputazione della rotula disarticolazione del ginocchio amputazione sopra al ginocchio transcondiloidea transfemorale rotazione di Van Ness resezione dell arto a livello femorale eliminazione del ginocchio recupero del piede e connessione dello stesso al femore previa rotazione di 180 gradi in modo che l articolazione della caviglia vada a sostituire la funzione del ginocchio disarticolazione dell anca emipelvectomia 2 1 1 L amputazione di coscia In base al livello dove questa venga eseguita e quindi alla sezione trasversale residua pu essere distinta in amputazione transcondiloidea di Gritti Stokes o transfemorale fig 2 1 Transcondiloidea Gritti Transfemorale Stokes Figura 2 1 tipi di amputazione di gamba in funzione della sezione trasversale residua La transcondiloidea quando effettuabile rappresenta un importante alternativa alla disarticolazione di ginocchio della quale mantiene alcune caratteristiche positive poich eseguendo una resezione a livello dei condili femorali si espone una sezione trasversale di dimensione e caratteristiche adeguate a sopportare carico distale fintanto che ci si trova in 14 presenza di osso corticale La seconda di
3. LUG 2 ES inventor f ca ER F Mtorneys TRE NORRIS PETERS CO PHOTO LITHO WASHINGTON O C Figura 1 3 Hanger Limb No 111 741 R S OS LZ UL Witnesses GL iat causa traumatica considerando l elevato numero di conflitti armati non consentono a chi vive in stato di menomazione dove le condizioni chirurgiche sono precarie e la tecnologia protesica obsoleta di riacquistare una condizione di autonomia tale da poter rientrare nella forza economica lavorativa della comunit senza dover gravare su di essa CAPITOLO 1 L analisi della distribuzione statistica delle varie tipologie di amputazione distinguendole per causa e per distretto anatomico permette di affrontare pi precisamente la valutazione di quali siano gli ambiti su cui concentrare principalmente le risorse da destinare alla ricerca in modo da permettere alla maggior percentuale possibile di popolazione con invalidit da amputazione di recuperare una funzionalit che gli permetta di non pesare economicamente su una societ globale che negli ultimi 30 anni a causa di disparit economiche sempre maggiori tra i paesi pi industrializzati e paesi poveri ha aumentato la forbice tra chi pu permettersi di accedere ad un livello superiore di cure e chi fatica ad arrivare a dei livelli essenziali di assistenza sanitaria Gini coefficient __ 0 54 0 52 0 50 0 48 0 46 0 44 0 42 pititirtiti
4. Kg mm3 dato non fedele alla realt stimato al fine di ottenere un Material Name Rigid SEB Type Rigid body Color Da Type Domains Properties a density 1 Young s modulus 0 Poisson s ratio 0 Auto COM No Center of mass 0 0 0 Figura 4 12 parametri necessari per la definizione di un Rigid Body in FEBio Per quanto riguarda il socket invece si utilizzato su suggerimento dei programmatori della software suite che sconsigliano l utilizzo del legame costitutivo elastico lineare poich non si ancora raggiunto un livello di implementazione che dia risultati coerenti per lo stesso un modello Neo Hookean equipollente ad un elastico lineare per piccole deformazioni valori del polipropilene uno dei materiali maggiormente utilizzati per la realizzazione dell invasatura E 1320 MPa v 0 39 I tessuti molli corpo deformabile sono invece stati considerati come un volume unico formato da un materiale omogeneo monofase con caratteristiche iperelastiche non lineari isotropiche ed incomprimibili a differenza della maggior parte dei lavori reperibili in letteratura che come visto nel terzo capitolo utilizzano un modello elastico lineare isotropico per meglio approcciarsi alle grandi deformazioni Il modello costitutivo scelto quello di Mooney Rivlin poich come spiegato dai programmatori della software suite rappresenta la variante incomprimibile del modello Neo Hookean L
5. Nel ciclo di sviluppo dell essere in formazione durante le fasi di replicazione cellulare sia nelle cellule somatiche che nei gameti si possono avere errori nella trascrizione o nella replicazione del DNA con formazione di cellule mutanti con corredo cromosomico non corretto le quali porteranno alla crescita di un embrione con gravissime malformazioni che con molta probabilit causeranno la conclusione precoce della gravidanza con un aborto spontaneo Non di rado pu capitare che nei casi di malformazioni meno gravi l embrione prosegua nel suo sviluppo portando alla nascita di un feto malformato Se la malformazione congenita perch presente sin dalla nascita riguarda uno degli arti nota col nome di dismelia si pu provare a percorrere nei casi meno gravi la via della chirurgia correttiva Se invece questa si presenta in un forma particolarmente grave si rende necessario per consentire al paziente di recuperare una funzionalit che gli permetta un proseguito di vita con la minima disabilit possibile un intervento di amputazione dell arto con successiva protesizzazione Le dismelie riscontrabili agli arti sono le seguenti amelia mancanza completa di uno o pi arti achiria apodia mancanza di mano o piede peromelia o emimelia traversa mancanza dei segmenti distali a vari livelli focomelia assenza dei segmenti intermedi dell arto la mano o il piede sono a livello della spalla o dell anca ectromeli
6. genetica delle mappe corporee a livello corticale La ricerca di una soluzione per questa problematica il cui dolore stato descritto da alcuni pazienti come il pi insopportabile e senza piet mai provato 8 e che pu rallentare il cammino che porter alla protesizzazione una sfida ancora attuale per le neuroscienze tentativi con TENS stimolazione elettrica nervosa transcutanea ipnosi e farmaci antalgici Figura 2 9 uso della mirror therapy hanno dato risultati di sollievo solo temporaneo e si possono considerare quindi come fallimenti parziali mentre buoni risultati si sono ottenuti grazie alla terapia elettroconvulsiva elettroshock all uso della mirror therapy fig 2 9 utilizzo di uno specchio in grado di dare al soggetto l impressione di vedere il proprio arto fantasma nell immagine riflessa dell arto sano e negli ultimi anni della VR 2 3 LE PROTESI Una protesi un dispositivo o apparato artificiale rivolto a sostituire un organo o parte di esso o un segmento corporeo con l intento di supplire almeno potenzialmente alle sue funzioni Con questo tipo di definizione si va ad abbracciare una vastissima platea di devices per esempio si pensi ad un impianto cocleare per pazienti affetti da sordit o ad un cuore artificiale Per questo motivo bene specificare che quanto in questo lavoro trattato rivolto principalmente al ramo ortopedico riabilitativo In suddetto ambito la ricerca e
7. in atto una guerra o in cui sono forti le ripercussioni di un conflitto pi o meno recente si pu notare osservando l eziologia in modo da ottenere risultati pi precisi rispetto ad un analisi che si basi su un mero confronto numerico dei casi Nei paesi industrializzati dove la chirurgia sempre programmabile e le tecniche di riabilitazione e fisioterapia sono avanzate la causa principale risiede nelle patologie vascolari in contrapposizione nei paesi in via di sviluppo spesso colpiti da conflitti la chirurgia realizzata in uno stato di emergenza e la causa principale della mutilazione bellica nelle regioni con una storia recente di guerre e scontri civili si pu stimare che circa 180 delle amputazioni avvenga per causa traumatica con predominanza di bambini e giovani spesso per incontri fortuiti con mine antiuomo Inoltre l indicatore dell et media di queste popolazioni molto basso cosa che limita fortemente l incidenza di malattie vascolari CROAZIA BOSNIA SERBIA IRAK IRAN AFGHANISTAN KURDISTAN GUATEMALA SALVADOR HONDURAS NICARAGUA OLO FALKLAND SAHARA ANGOLA SPAGNOLO Figura 1 2 paesi con maggiore concentrazione di mine antiuomo inesplose Il grosso problema delle mine antiuomo riguarda in particolar modo 90 Paesi in cui ne sono presenti un numero imponente prossimo ad 100 000 000 Dieci Paesi dei 90 Afghanistan Angola Bosnia Herzegovina Cambogia Croazia
8. e schio 0 03 s rale Di H e Laterale Distale 0 02 EA N 0 01 Ela 0 eo 0 10 20 30 40 50 60 70 CICLO DEL PASSO Figura 5 22 Pmedia in determinati istanti del ciclo del passo per alcune aree corporee IC Rodin 4D PRESSIONE DI CONTATTO MEDIA PIANO TRASVERSALE 0 04 0 035 gt o 0 03 ra 0 025 SS oO e 0 02 ss o 0 015 x 0 01 No 0 005 N e Apicale Distale 0 10 20 30 40 50 60 70 CICLO DEL PASSO Figura 5 23 Pmedia in determinati istanti del ciclo del passo per alcune aree corporee IC Rodin 4D IC Rodin 4D Pmedia MPa Istante del ciclo del passo Triangolo Femorale F 0 152 33 Estremita Distale Ant F 0 024 55 Gluteo F 0 040 33 Estremita Distale Post F 0 057 23 Ischio S 0 082 33 Estremita Distale Lat S 0 059 33 Apice Distale T 0 020 27 Tabella 5 2 valori di Pmedia ricavabili per l invasatura IC OSIC Rodin 4D in aree corporee di interesse ed in determinati istanti del ciclo del passo con piano di riferimento F Frontale S Sagittale T Trasversale 105 5 3 3 Invasatura a contenimento ischiatico TOM MOST 10 pit 10 xpit rc et rr A pracpame Tres 10 xp ENTI 49 pit sr Figura 5 26 pressioni di contatto durante il ciclo del passo vista mediale IC Tom Most 106 CEES 5 a 10 id Pp ULI os sue aa z va L L L r AA 37 pit a sia a er meres pim a ome L L L i F
9. 0 5 MP re page TE corrispondenti in base a quanto descritto sul manuale utente del software a G C 7 0 005034 MPa Al fine di garantire la caratteristica di incomprimibilita del materiale biologico gli sviluppatori del software consigliano di utilizzare il seguente range per quello che impropriamente chiamato bulk modulus 100 C lt Krepio lt 10000 C la ricerca stata in realt effettuata considerando valori limite differenti di Krepio poich ci si resi conto durante lo svolgimento del lavoro che spesso le linee guida dettate dal team di sviluppo sono disattese dal software stesso a causa di errori di scrittura del codice sorgente Le prove effettuate sono indicate in tab 4 2 Numero prova Krebio 1 Ci 2 10C1 3 100 Cl 4 1000 C1 5 10000 C1 6 100000 C1 Tabella 4 2 elenco delle prove effettuate per la ricerca del valore ottimale di Krebio Il valore scelto stato Krebio 1000 C1 5 034 MPa per la giustificazione della scelta si veda il par 5 1 4 3 2 Condizioni al contorno di interazione di carico Il modello in esame fig 4 14 stato realizzato sulla base del lavoro Finite Element Analysis of Donning Procedure of a Prosthetic Transfemoral Socket Lacroix et al presentato nel 80 paragrafo 3 1 4 analogamente da quanto fatto dagli autori sopra citati si e utilizzato il modulo dinamico della software suite La movimentazione del modello si effettuata mantenendo in posizione fissa l i
10. 107 Figura 5 29 Pmedia in determinati istanti del ciclo del passo per alcune aree corporee ARA ioni 107 Figura 5 30 Pmedia in determinati istanti del ciclo del passo per alcune aree corporee IC Tom A A siae 108 Figura 5 31 Pmedia in determinati istanti del ciclo del passo per alcune aree corporee LES AAA A A EIN PAT 108 Figura 5 32 pressioni di contatto durante il ciclo del passo vista anteriore Quadrilaterale 109 Figura 5 33 pressioni di contatto durante il ciclo del passo vista posteriore Quadrilaterale 109 XIX Figura 5 34 pressioni di contatto durante il ciclo del passo vista mediale Quadrilaterale 109 Figura 5 35 pressioni di contatto durante il ciclo del passo vista laterale Quadrilaterale 110 Figura 5 36 pressioni di contatto durante il ciclo del passo vista dal basso Quadrilaterale 110 Figura 5 37 Pmedia in determinati istanti del ciclo del passo per alcune aree corporee e AAA A A A AN NO 110 Figura 5 38 Pmedia in determinati istanti del ciclo del passo per alcune aree corporee CU AAA A A IN 111 Figura 5 39 Pmedia in determinati istanti del ciclo del passo per alcune aree corporee Quadrilateral Jaciara aea a ol drenante 111 Figura 5 40 pressioni di contatto durante il ciclo del passo vista anteriore MAS 112 Figura 5 41 pressioni di contatto durante il ciclo del passo vista posteriore MAS 112 Figura 5 42 pression
11. Nonostante venga vissuto dal paziente come un momento drammatico della propria vita spesso come la fine considerando lo shock psicofisico causato l intervento si pone l obiettivo di salvaguardare il paziente da gravi complicazioni generali e mira ad ottenere un significativo miglioramento della sua qualit di vita La tecnica chirurgica applicata in questi casi deve da un lato stabilizzare la condizione del paziente soprattutto se in caso di evento traumatico e dall altro modellare un moncone che presenti delle caratteristiche sia di forma sia funzionali che lo rendano idoneo a calzare una protesi ovvero garantire una buona lunghezza residua in modo da offrire un braccio di leva adeguato al controllo del movimento della protesi con attenzione all irrorazione arteriosa necessaria alla vita del tessuto residuo una buona ricopertura di tessuti molli evitando aree in cui si possano avere concentrazioni di sforzi dovuti ad uno spessore esiguo degli stessi una forma dotata di buona regolarit che non renda difficoltosa la realizzazione di un socket In base al sito anatomico dove l intervento viene eseguito si hanno amputazioni di arto superiore a loro volta divise in e amputazione delle dita e amputazione del metacarpo e disarticolazione del polso e amputazione dell avambraccio transradiale 13 disarticolazione del gomito amputazione sopra al gomito transomerale disarticolazione della spalla
12. Pmax isch 0 033 MPa al 33 del ciclo del passo valore dell 84 rispetto all invasatura OSIC grazie ad un ampio raggio di curvatura nella parte mediale dell invasatura all estremit laterale distale il valore massimo pari a Pmmax lat_dist 0 052 MPa al 33 del ciclo del passo di intensit paragonabile all invasatura di riferimento Vista dal basso fig 5 28 il contatto totale comporta un valore massimo Pmaxpice dist 0 050 MPa superiore rispetto al riferimento a causa di un fondo dell invasatura maggiormente appuntito rispetto a quello di riferimento 5 3 6 4 Quadrilaterale Vista frontale fig 5 32 pressione massima sull area del triangolo femorale pari a Pmax tri fem 0 077 MPa al 33 del ciclo del passo volendo forzare la ricerca di un termine di paragone con le invasature a contenimento ischiatico analizzate in precedenza si pu sicuramente affermare che la forma rettangolare in cui viene forzato il moncone fornisce all arto una superficie pi ampia di contatto nei lati anteriore e posteriore giustificando quindi un valore basso di pressione se confrontato a quanto ottenuto precedentemente Per lo stesso motivo si pu giustificare il valore massimo di pressione sull estremit anteriore distale Pmax ant dis 0 013 MPa Vista posteriore fig 5 33 le due aree di interesse per l invasatura quadrilaterale presentano i seguenti valori massimi Pmax post dis 0 051 MPa Pmax tub isch 0 016 MPa n particolare
13. causata dalla non accettazione della perdita dell arto da parte del paziente tracciando improbabili parallelismi con le visioni di congiunti o cari deceduti Figura 2 8 Homunculus sensitivo La visione attuale del fenomeno per le neuroscienze a differenza delle interpretazioni sopra descritte riconducibile a due percorsi differenti per quanto riguarda i due tipi di sensazioni riscontrabili sensazioni somatosensitive si ipotizza che le aree della corteccia somatosensoriale ancora attive stringano connessioni con l area deafferentata dalla rescissione del nervo fenomeno della plasticit corticale facendo avvertire al soggetto sensazioni tattili termiche di dolore in seguito ad una stimolazione di aree topograficamente contingue fig 2 8 nella rappresentazione corticale sensazioni motorie l ipotesi pi accreditata la presenza di collegamenti tra la corteccia motoria e pre motoria corrispondenti alle aree 4 e 6 di Brodmann con quella somatosensoriale del lobo parietale struttura responsabile della percezione del movimento corporeo Con la deafferentazione della corteccia somatosensoriale dagli input il segnale di FFW anticipatorio inviato dalla corteccia motoria viene percepito come movimento anche in assenza di FB neuromuscolare Entrambe le teorie trovano una sorta di conferma nel fatto che anche soggetti con amelie presentino la stessa tipologia di sensazioni chiaro segno di una sorta di determinazione 19
14. compressione sull apice distale con intensit pari a 0 043 MPa sia sull appoggio dell orecchia creata per il contenimento del ramo ischiatico con intensit pari a 0 069 MPa il risultato la conferma della filosofia progettuale dell invasatura MAS ovvero enfatizzare il ramo ischiatico facendo in modo che sopporti una grande parte di carico si pensi in una ipotetica condizione di apice distale non caricato si avrebbero circa 0 1 MPa sul solo appoggio dell orecchia Concludendo l analisi si possono riassumere 1 risultati nelle seguenti considerazioni le scelte progettuali attese come similari per quanto riguarda le invasature a contenimento ischiatico si sono confermate in realt come completamente differenti con presenza di tipologie costruttive intermedie che hanno enfatizzato il contatto su aree differenti del moncone fattore gi analizzato nel corso del paragrafo 118 precedente di cui si ha conferma con questo modello la tecnologia MAS di cui non si conoscono n pregi n difetti se non per le poche notizie che possibile rintracciare sul sito del progettista del modello su cui si pu reperire una presentazione in cui si enfatizzano solo 1 probabili pregi si ipotizza che dovendo contenere una quantit minore di tessuto biologico il gluteo non contenuto ed anteriormente per ottenere una ottima cosmesi molto bassa comporter generalmente valori pi elevati di pressione sui tessuti del
15. della pressione agente sul tessuto biologico conseguenti ad un incremento o diminuzione del 10 dei momenti articolari ad esclusione del momento adduttorio poich di entit talmente ridotta nei dati di gait analysis in possesso da non produrre effetti visibili sul modello negli istanti dei propri massimi A tal ragione si stabilito un modello di riferimento invasatura a contenimento ischiatico OSIC Carbone tramite il quale verificare inizialmente se questo coefficiente fosse calcolabile in seguito calcolato il coefficiente stesso si utilizzato questo per prevedere i valori di pressione per le altre quattro invasature verificando che non vi fosse dipendenza dalla geometria P 23 AMext 10 P ne AMext 0 23 SP OSIC AMext 10 PP TRE NS 1 0999 1 1 23 23 AMext 10 P 33 AMapa 109 P AMapa 10 33 SP OSIC AMgpa t10 ae og 1 1004 1 1 33 33 AMaba 10 P 63 AM f1ex 109 P ne AM flex 10 63 en SP OSIC AM fiex 10 nes ay 1 0998 1 1 63 33 AM flex 10 Il dato ricavato asintoticamente uguale per tutte le tipologie di momento articolare per l invasatura di riferimento rafforza la convinzione che l elemento sensibile si comporti come un filtro lineare con l output la pressione direttamente proporzionale alla variazione dei parametri del sistema come prima avvenuto con lo spessore dell elemento stesso osservando 1 dati in tab 5 7 infatti possibile notare come ad un aumento dei m
16. in grado di portare la pressione interna fino a 20 mm creando una forza che mantiene la cuffia a contatto con l invasatura e migliorando in modo drastico le prestazioni di sospensione fig 2 28 Figura 2 28 prova estrema effettuata per testare l efficacia di un sistema vacuum assistito attivamente 2 7 IL PROBLEMA DEGLI SFORZI DI INTERFACCIA NELLA PRATICA CLINICA Da quanto esposto negli scorsi paragrafi parlando delle diverse tipologie di invasature delle cuffie e dei sistemi di sospensione sembrerebbe che il mantenimento dell equilibrio e quindi la ricerca di un distribuzione quasi idrostatica di pressioni sul moncone sia un procedimento molto semplice basato su considerazioni elementari di tipo ingegneristico tecnico e su equilibri di forze in realt la presenza di un interfaccia tra un qualsiasi dispositivo ed il corpo umano crea tutta una serie di problemi che rendono difficile ma non impossibile il raggiungimento di una distribuzione uniforme di pressioni I tessuti biologici sono composti da materiali con distribuzione spaziale non omogenea altamente non lineari e come gi accennato al principio dello scorso paragrafo in continuo rimodellamento Un moncone quindi unico e non ripetibile non solo se confrontato ad altri monconi ma anche verso se stesso in istanti temporali differenti caratteristiche in continua evoluzione come la forma la quantit di massa magra di massa grassa e di idratazione locale che con
17. invasatura dal momento dell heel strike una componente di attrito in direzione tangenziale alla superficie del moncone che si sviluppa sulla parte di moncone a contatto con la superficie laterale dell invasatura e che nasce durante la fase di swing una componente di attrito in direzione circonferenziale che si sviluppa sulla parte di moncone a contatto con la superficie laterale dell invasatura e che nasce durante la fase di stance del ciclo del passo a causa di movimenti sul piano trasverso momento torcente una componente di attrito in direzione tangenziale alla superficie del moncone che si sviluppa sulla parte di moncone a contatto con la superficie laterale dell invasatura 37 e che nasce durante la fase di stance del ciclo del passo Per venire incontro a questa esigenza si utilizzano oggigiorno cuffie fig 2 27 fabbricate in tessuto pelle o gomma presenti sul mercato negli spessori commerciali di 3 6 o 9 mm e contenenti nell intercapedine gel di materiale polimerico che pu portare o meno in sospensione una matrice solida polimerica Vengono indossate sul moncone come delle calze isolandolo quindi dal contatto diretto con le pareti dell invasatura e limitando quindi Pinfluenza sullo stesso di pressioni e sforzi tangenziali che se troppo elevati possono danneggiare le strutture biologiche In aggiunta alla funzione principale per cui sono realizzate spesso hanno anche un azione medicinale curativa poich
18. 4 7 questa fase corrisponde al plotting dell evoluzione temporale dei risultati elaborati durante la fase di solving Una volta aperto il file binario nomefile xplt il software offre la possibilit di visualizzare il modello 3D animato secondo 1 vari timesteps nei quali si avuta convergenza della soluzione ed in particolare come gi mostrato in fig 4 1 di visualizzare colormaps relative ad alcune grandezze sforzi deformazioni variazioni volumetriche etc Il 173 OFETILE SR frre 0b 10 amp i sele r Ual A roole Eien froot bar NX State Manager l Data Manager Material Manager Graphics View me Time Controller Figura 4 7 GUI del post processor PostView software oltre alle opzioni di visualizzazione sopra descritte permette di esportare sia degli snapshot in formato jpg sia i tracciati relativi alle grandezze visualizzabili con le mappe di colori per ogni singolo elemento nodo come dati in formato txf in modo da poterli poi elaborare con un software dedicato come ad esempio Microsoft Excel 4 3 MODELLIZZAZIONE DELLA CALZATA DEL SOCKET Come gi discusso nel paragrafo 3 1 4 l analisi della calzata del socket uno step molto importante poich da questa si pu ottenere un dato sia qualitativo la posizione delle zone del moncone compresse dal contatto con l invasatura in fase ortostatica sia quantitativo nel nostro caso non potendo calcolare sforzi tange
19. 9 14 1985 16 Radcliffe MF Charles W Functional considerations in the fitting of above knee prosthesis Artificial 137 Limb Vol 2 No 1 pp 35 60 1955 17 Gailey RS Lawrence D Burditt C Spyropoulos D Newell C Nash MS The CAT CAM socket and quadrilateral socket a comparison of energy cost during deambulation Prosthetics And Orthotics International Vol 17 pp 95 100 1993 18 Traballesi M Delussu AS Averna T Pellegrini R Rosellini G Brunelli S Un nuovo tipo di invaso M A S valutazione del costo energetico del cammino EUROPA MEDICOPHYSICA Vol 44 Suppl 1 to No 3 2008 19 Steege JW Schnur DS Vorhis RL Rovick JS Finite element analysis as a method of pressure prediction at the below knee socket interface Proceedings of RESNA 10th Annual Conference California 1987 814 6 20 Childress DS Steege JW Computer aided analysis of below knee socket pressure J Rehabil Res Dev Progr Rep 1987 vol 24 22 4 21 Reynolds DP Shape design and interface load analysis for below knee prosthetic sockets Ph D Dissertation University College University of London 1988 22 Steege JW Childress DS Finite element prediction of pressure at the below knee socket interface Report of ISPO Workshop on CAD CAM in Prosthetics and Orthotics Alexandria Va ISPO 1988 71 82 23 Sanders JE Ambulation with a prosthetic limb mechanical stresses in amputated limb tissues Ph D Dissertation University of Washingto
20. A Una corretta analisi statistica quantitativa per quanto riguarda i singoli Paesi del Terzo Mondo risulta difficile da proporre poich spesso in questi Stati completamente assente sia un anagrafe che tenga traccia di tutti i residenti all interno del Paese sia un sistema sanitario in grado di classificare gli interventi necessari all assistenza delle persone bisognose E altres possibile basarsi su dati che per 1 motivi sopra descritti sono sicuramente incompleti e quindi da valutare pi dal punto di vista qualitativo che quantitativo che descrivano in toto la causa principale per questi Paesi ogni anno nel mondo le mine antiuomo causano circa 15 000 morti e 30 000 feriti Da un analisi statistica condotta su un campione di 720 pazienti feriti dalle mine risultato un tasso di amputazioni pari al 28 Si pu quindi concludere che un alta percentuale dei feriti dovr ricorrere ad un intervento chirurgico di amputazione con inevitabile incremento annuale del numero dei disabili che andranno a gravare sulla gi instabile situazione economica del Paese stesso 1 2 EPIDEMIOLOGIA ITALIANA Secondo i dati ISTAT rilevazione del 2004 in Italia vivono 2 615 000 disabili di cui 1 200 000 affetti da disabilit motoria la FIOTO Federazione italiana dei tecnici ortopedici stima ogni anno in circa 12 000 nuovi interventi di amputazione di arto inferiore dei quali circa 3 000 transfemorali I nuovi invalidi assistiti ogni ann
21. Eritrea Iraq Kurdistan Mozambico Somalia e Sudan ne totalizzano circa il 50 fig 1 2 Per esemplificare l epidemiologia di un Paese industrializzato che possa proiettare in modo abbastanza fedele quanto avviene a livello globale si possono analizzare gli Stati Uniti d America di cui possiamo disporre di dati statistici completi dove vivono circa 20 000 000 di persone amputate di arto inferiorel e dove ogni anno si hanno in media 70 000 nuovi interventi fra i quali circa 60 000 riguardanti l arto inferiore con il 74 di amputazioni al di sotto del ginocchio Per quanto concerne le cause il 54 degli interventi si rende necessario per complicanze di malattie vascolari di cui circa 180 in individui di et superiore ai 50 anni che insorgono principalmente a causa di una scorretta alimentazione si osservi l aumento progressivo della percentuale di obesi in uno Stato che l emblema di questa problematica fig 1 3 il 44 per eventi traumatici per valutare questo valore ricordiamo l intensa attivit militare statunitense ed il 2 per neoplasie Leanest State Percentage of Obese Adult Population Fattest State Colorado Mississippi El O M i 18 4 20 7 22 24 26 28 30 6 31 6 Vt NH 21 1 23 5 Me 23 7 Mass 20 9 RI 21 4 Conn 20 8 NY 22 9 Del 25 9 Md 25 2 D C 22 1 UNITED STATES OF OBESITY Hawaii 20 7 Figura 1 3 distribuzione percentuale di obesi per ogni stato U S
22. Figura 2 13 componenti principali di una protesi transfemorale esoscheletrica 23 Concentrando l attenzione su quelle esoscheletriche le principali componenti strutturali sono le seguenti fig 2 13 Invasatura o socket ginocchio protesico pilone di sostegno piede protesico cosmesi di rivestimento Riguardo al socket ed alle tipologie dello stesso utilizzate per protesi transfemorali si riserver una trattazione separata ed approfondita nel prossimo paragrafo Il ginocchio protesico un componente molto importante poich se ben progettato in grado di restituire al paziente amputato un pattern di cammino il pi fisiologico possibile in fase dinamica mantenendo la stabilit in fase ortostatica e minimizzando la spesa energetica per il raggiungimento di questi target Per distinguere le tipologie di ginocchio presenti sul mercato si possono considerare tre parametri relativamente alla posizione del centro di istantanea rotazione l articolazione pu essere di tipo monoassiale o policentrica Nel primo tipo il CIR vincolato a trovarsi sull asse di rotazione nel movimento relativo tra femore e tibia con difficolt nel controllo della stabilit da parte dell amputato necessitando quindi di sistemi di controllo di tipo attivo Nel secondo tipo caratterizzato da un sistema meccanico di tipo quadrilatero articolato semplice o incrociato il CIR libero di muoversi nel corso moto relativo rendendo l ar
23. In particolare come ci si potrebbe aspettare mediamente i valori di pressione calcolati per questa tipologia di invasatura ci si aspetta che si posizionino nella fascia medio alta considerando che la quantit di tessuto biologico contenuta minore con diminuzione della superficie di contatto la pressione sull estremit anteriore distale nella fase flessoria dell arto raggiunge l intensit Pmax ant_dist 0 022 MPa Vista posteriore fig 5 41 l assenza di copertura sul gluteo sposta l attenzione nell area dei muscoli hamstrings sulla quale agisce una pressione massima di 0 017 MPa durante la fase flessoria per quanto riguarda l estremit posteriore distale il valore massimo raggiunto di 0 082 MPa che anche il valore in assoluto pi raggiunto per questa area a causa della forma dell invasatura molto rastremata Viste mediale e laterale fig 5 42 5 43 osservando in vista mediale il comportamento dell area del ramo ischiatico possibile notare come su questo distretto sia concentrata la maggior parte della forza con una Pmax ram 0 066 MPa valore molto elevato se confrontato al contenimento ischiatico di cui si propone come sviluppo dovuto ad un area di contatto ridotta inoltre la forma dell invasatura presenta alcuni spigoli che creano una concentrazione di sforzi da intaglio anteriormente al contenimento Vista dal basso fig 5 44 in questo ultimo caso possibile osservare sia la presenza di
24. Pe mm Po mm P3mm Po mm SP _MAS Asp 3mm a 1 05 Pe mm Po mm 121 Si pu concludere che l invasatura che presenta una maggiore sensitivita alla variazione di spessore dell elemento sensibile quella quadrilaterale dove ad un aumento diminuzione dello spessore di 3 mm corrisponde un aumento diminuzione delle pressioni del 24 seguita dall invasatura a contenimento ischiatico realizzata da OSIC Carbone 17 e dall invasatura MAS 5 Verificata la linearit tra l input e l output si voluta scrivere una relazione 5 1 che riferisse gli incrementi decrementi di pressione ad un Aspessore del liner a partire dai valori calcolati da FEBio per un liner da 6 mm di spessore e dai coefficienti di sensitivit calcolati SP Aspessore 3mm 1 P sp x Pemm E Pemm O Aspessore 5 1 5 5 SENSITIVITA DEL MODELLO A VARIAZIONE DEL MATERIALE DELL ELEMENTO SENSIBILE Figura 5 52 pressione di contatto IC Rodin 4D Poliuretano e Poly SBS 122 Polluratano pit won puo AS Poliuretano xpt ad Eo Polluretano xpit Poliuretano pit a TS PolySB8 xpit oun prc r Ls Poliuretano xpt Potiuretano xpit cn gua Sine PolySBS xpit Figura 5 55 pressione di contatto MAS Poliuretano e Poly SBS 123 5 5 1 Analisi dei risultati Analogamente a quanto fatto precedentemente per lo spessore del liner si cercato anche relativamente al modul
25. a LUXOT i 1 Figura T2 nano AO lei o 1 Fig ras 1 3 Hanger LD A a 3 CAPITOLO 1 Figura Le World Grid A A sia 5 Figura 1 2 paesi con maggiore concentrazione di mine antiuomo inesplose 6 Figura 1 3 distribuzione percentuale di obesi per ogni stato U S A ii E Figura 1 4 aumento dell aspettativa di vita in Italia nel periodo 1950 2011 8 Figura 1 5 distribuzione percentuale italiana di amputati per causa di amputazione 9 Fig ra 1 6 Osteo atco A io Taa Seok ent i 11 CAPITOLO 2 Figura 2 1 tipi di amputazione di gamba in funzione della sezione trasversale residua 14 Figura 2 2 differenti livelli di amputazione transcondiloidea iii 15 Figura 2 3 classificazione secondo Slocum in base al livello dell amputazione 16 Figura 2 4 lunghezza massima ideale del moncone 16 Figura 2 5 ribilanciamento della funzionalit muscolare tramite sutura degli adduttori al femore TOTO lira eci 17 Figura 2 6 particolare dell intervento osteomioplastico dove possibile notare la lunghezza residua del retto femorale che verr in seguito suturato agli estensori 17 Figura 2 7 moncone di amputato transfemorale nell immediato post operatorio 18 Figura 2 8 Homunculus E O A at eee ead ody ee eat 2 19 Figura 2 9 uso della P
26. abrasioni permettendo all amputato l esecuzione di attivit sportive gt _ belting cushion Figura 2 14 Piede SACH Il piede protesico fig 2 11 rappresenta l area di contatto tra la protesi ed il terreno e quindi il punto effettivo attraverso cui la reazione di appoggio nascer e si propagher verso le altre componenti della protesi Queste componenti si possono suddividere principalmente secondo due caratteristiche la presenza e la complessit se presente dell articolazione di caviglia Seguendo questa distinzione il modello pi semplice attualmente in commercio il piede SACH acronimo di Solid Ankle Cushion Heel fig 2 14 dotato di caviglia rigida Questo costituito da una chiglia in legno rivestita da polimeri plastici a diversa densit con funzione sia di assorbimento energetico per rendere l istante dell heel strike confortevole all amputato sia di agevolare il rotolamento in avanti del piede sia di cosmesi causa della sua scarsa possibilit di movimento solitamente utilizzato da amputati con richieste funzionali limitate Se il grado di mobilit dell amputato fosse superiore sarebbe maggiormente indicata la scelta di un piede articolato di tipo monoassiale con solo espressione di dorsiflessione plantifessione o pluriassiale con in aggiunta espressione di rotazione interna rotazione esterna ed inversione eversione la presenza o meno di un sistema di restituzione
27. aria rinoonss 121 5 5 SENSITIVITA DEL MODELLO A VARIAZIONE DEL MATERIALE DELE ELEMEN TO SENSIBILE ana ORI e a ica 121 IL Analisi dermisultativ spine A A ia 124 5 6 SENSITIVITA DEL MODELLO A VARIAZIONE DEI MOMENTI ARTICOLARI 124 MOL lt Analisidermsultativi A en nane 125 5 7 SENSITIVITA DEL MODELLO A VARIAZIONI DELL ALLINEAMENTO 126 IS EIA hier rara 127 CONCLUSIONI 129 APPENDICE A 133 BIBLIOGRAFIA 137 SOMMARIO L amputazione di un arto tutt oggi un evento molto tragico per un individuo poich comporta l instaurarsi di una nuova condizione nella quale il paziente deve imparare a convivere con ampie limitazioni anatomiche e funzionali che spesso saranno viste come la fine con fortissimi ripercussioni sia dal punto di vista psicologico che da quello del reinserimento dell individuo nella forza lavoro della societ con aumento del costo sociale In particolare la perdita dell arto inferiore con resezione a livello del femore nota come amputazione transfemorale una condizione tra le pi invalidanti poich si perde un effettore o nei casi pi gravi entrambi tramite cui il corpo umano mantiene la postura eretta con la nascita di tutta una serie di patologie riconducibili a questa nuova condizione corporea anomala Questo lavoro nasce con la speranza di poter apportare alla letteratura un set di dati numerici validi e consistenti che possano aiutare la ricerca a trovare nuove soluzioni o a
28. arto protesico causato dalla non accettazione dello stesso che sensibilizzi l area di contatto per un effetto volontario del paziente amputato mentre la seconda che il valore numerico della soglia del dolore sia corretto per una singola prova di indentazione configurazione di prova ma errato per particolari reazioni non lineari dei nocicettori una possibilit potrebbe risiedere nell insorgenza della fenomenologia nota come iperalgesia che si manifesta nelle aree corporee che hanno subito un trauma e circostanti A sostegno della prima ipotesi possibile pensare per esempio al fatto che sportivi paralimpici si sottopongono quotidianamente a sessioni di allenamento in cui 1 carichi agenti sul moncone sono molto pi elevati rispetto al paziente medio che spesso ricordiamo una persona anziana con patologie croniche pregresse in una condizione di dolore continuo come quello lamentato da alcuni pazienti l allenamento non sarebbe possibile A sostegno della seconda si deve pensare a quanto possa essere traumatico un intervento chirurgico come quello di amputazione con resezione dei nervi ai quali sono associate particolari condizioni non prevedibili come la sindrome dell arto fantasma sarebbe utile uno studio che permettesse di capire quanto questa cosa possa influire non solo sul moncone ma anche sulle aree limitrofe es gluteo ischio etc 119 5 4 SENSITIVITA DEL MODELLO A VARIAZIONE DELLO SPESSORE DELL ELEMENTO SE
29. caso della simulazione della calzata precedentemente descritta perch permette lo scorrimento relativo con il calcolo delle pressioni di contatto I parametri del contatto sono stati lasciati al valore iniziale proposto dal software con l eccezione dell attivazione dell auto penalty Name Tied Step Initial y Type Tied Interface augmented Lagrangian augmentation tolerance penalty factor min augmentations max augmentations Figura 3 18 menu di definizione del contatto Tied Interface La tipologia di analisi impostata per il solver stata di tipo statico quindi lo stesso non terr conto dei valori di densit dei corpi rigidi mantenendo tutte le impostazioni in condizione standard e modificando il solo step temporale settato a 0 2 5 passi temporali poich se lasciato al valore proposto di 0 1 il file xp creato causava un crash in PostView a causa di un bug nel software che non permette l apertura di files di grande dimensione 4 4 3 Condizioni di carico Come precedentemente descritto i carichi articolari applicati sul moncone derivano da acquisizioni di gait analysis di un paziente di massa di 80 kg equivalente ad un peso di 784 8 N con amputazione transfemorale monolaterale in seguito utilizzando le equazioni della dinamica inversa ipotizzando le accelerazioni lineari ed angolari pari a zero si proceduto a calcolare carichi e momenti esterni riferiti all anca da inserire nel mode
30. cilindrica ed il moncone accoppiato contenente un cilindro rappresentante il femore con le seguenti caratteristiche diametro 166 mm pari ad una circonferenza di 521 mm valore medio ottenuto da serie di misurazioni effettuate su un campione di 20 individui normodotati lunghezza 240 mm valore ottenuto da misurazione dell invasatura a contenimento ischiatico utilizzata per il modello precedentemente descritto Le parti geometriche realizzate sono state esportate e meshate con A tair Hypermesh V13 0 e successivamente importate in PreView dove sono stati associati ai seguenti legami costitutivi femore rigid body utilizzato per applicare forze e momenti moncone Mooney Rivlin con gli stessi valori per i parametri assegnati al modello di cui al paragrafo 4 3 socket rigid body File Edit View Curve Surface Solid Mesh Dimension Transform Tock Anahce Render Panels Help Choose Shade settings Dispiaytioge Ghosted DrawCunes No OrawWires Ho DrawGro Yes Orawases Yes DrawAxee tio Choose Shade settings DisplayiWode Ghosted DrawCurvessNo DrawWirea No DragCnd Yes DrawkgeseNO Sewers Ceras Salem Digi gt Slot Vino Layat Valy Y Curve Tool Stone Tots So Tcl Med Toca Render Toot Oring Delsfxd0 9 209 25 Ee G59 030000 725 0 Hewes or BL Bo ar cl Ziccsten ws j jipan Twa XTeyt 200 Yis 0000 titti i SSDH O ONO Figura 4 21 modello cilindrico 93 Inoltre si sono poste in esse
31. con estremit distale non adeguatamente ricoperta da tessuti molli causa di dolore 84 4 4 1 Caratteristiche meccaniche dei materiali Nella realizzazione di questo modello come detto prima si deciso di introdurre una serie di semplificazioni al fine di rendere il compito della ricerca della convergenza meno gravoso al risolutore L invasatura stata considerata quindi un rigid body meshato con shell triangolare con le seguenti caratteristiche E 1320 MPa v 0 39 densit 0 analisi di tipo statico con i valori del modulo di Young e del coefficiente di Poisson inseriti arbitrariamente al fine di permettere al risolutore di ricercare il valore di penalty adeguato la funzione auto penalty di cui si discusso nei primi paragrafi del capitolo come in tutte le simulazioni mantenuta attiva Il moncone anch esso meshato con shell triangolare al pari dell invasatura stato considerato un rigid body questa approssimazione dettata dall assunzione che nell istante in cui la muscolatura residua vada a contrarsi anche a causa del lack di forza causato dall amputazione il modulo elastico della stessa diventi maggiore rispetto a quello della cuffia in modo da poter considerare il moncone un corpo rigido rispetto ad essa I valori considerati corrispondono a quanto si pu trovare in letteratura per la rappresentazione del tessuto biologico come materiale elastico lineare sempre mantenendo valida la c
32. corretto allineamento il livello di comfort per il paziente sar molto basso e la cosa produrr effetti negativi sulla funzionalit del pattern di cammino Le procedure di allineamento da effettuare sono due statica e dinamica La prima consistente nel porre l invasatura in posizione iniziale flessa ed addotta in modo da ottenere una contrazione ottimale dei muscoli antagonisti come gi discusso nel paragrafo 2 4 1 venne analizzata gi da Ivan Long con il suo concetto di Long s line Egli sugger che per mettere in atto un corretto allineamento statico fosse imprescindibile l utilizzo di una apparecchiatura a raggi X che permettesse di osservare gli angoli del femore sia prima della realizzazione dell invasatura che una volta che la stessa fosse stata indossata dal paziente L allineamento dinamico invece un procedimento di tipo iterativo che richiede molto tempo di lavoro e collaborazione tra paziente e protesista e che se eseguito nel modo proceduralmente corretto necessiterebbe di molteplici sedute su un arco temporale molto ampio poich le condizioni e le possibilit di appoggio del moncone variano con l evoluzione dello stesso Per certi versi molto pi complicato di quello statico richiedendo lo studio di un numero molto maggiore di parametri provenienti dalla gait analysis Purtroppo nonostante l avanzamento tecnologico e lo studio di metodologie operative di ottimizzazione in letteratura la tecnica utilizza
33. decisioni riguardo alla scelta di tutte le tipologie di interazione tra le varie componenti del modello Occorre fin dal principio chiarire che l utilizzo di diversi software potrebbe comportare approcci completamente differenti poich le condizioni al contorno di interazione di carico applicabili variano a seconda della software suite Scorrendo vari lavori si trova traccia di utilizzo di ABAOUS ANSYS MARC NYSA Il ed altri software di questi quello pi utilizzato ABAOUS software particolare noto per la sua duttilit ad essere impiegato in vari ambiti meccanico energetico aerospaziale biomedicale etc ed in grado di risolvere sia problemi di piccole deformazioni di grandi deformazioni il tutto a corredo di una interfaccia intuitiva e di una buona facilit di uso Di questi due modus operandi si ha avuta una predominanza dell approccio alle piccole deformazioni scelta fatta per la minor potenza di calcolo necessaria a vantaggio di un minor costo computazionale Il contatto imposto tra la parte ossea ed 1 tessuti molli spesso non viene definito e per i pochi lavori per cui questa reperibile si pu trovare configurata come tied contact 34 481 utilizzato con lo scopo di muovere una superficie s ave i tessuti molli imponendo una condizione di carico o di spostamento alla superficie master il corpo rigido rappresentante le ossa senza consentire la separazione delle stesse e prevenendo la compenetrazione reciproca du
34. dell invasatura il cui effetto il mantenere la tuberosit ischiatica in posizione sulla seduta La peculiarit negativa di questo tipo di invasatura risiede nel fatto che non riesce a garantire la stabilit sul piano frontale Sotto l effetto della contrazione del gluteo medio il moncone tender a portarsi in posizione abdotta con forte accumulo di sforzi pressori sulla propria estremit distale laterale e di sforzi tangenziali nell area perineale L invasatura a contenimento ischiatico nasce nel 1985 ad opera di John Sabolich e Tom Guth da un idea di Ivan Long e con la quale si tent di superare le problematiche di allineamento del femore sul piano frontale caratteristiche del tipo quadrilaterale Con questa nuova tipologia di forma ellissoidale e quindi pi fisiologica se osservata sul piano trasversale il femore viene mantenuto in posizione abdotta e l ischio contenuto nella sua parte mediale quindi non pi compresso la presenza del tipico bony lock nell area ischiatica crea due componenti di forza applicate nell area dell ischio e nell area sottotrocanterica entrambe dirette verso il centro dell anca La risultante idealmente diretta anch essa verso il centro dell anca essendo priva di braccio di leva garantisce il mantenimento della stabilit La terza ed ultima tipologia di invasatura MAS nasce nel 2002 per mano di Marlo Ortiz Vazquez Del Mercado L ingegnere messicano cerc di estremizzare i conc
35. della Long s line su un illustrazione di una protesi b applicazione della linea al fine di verificare l allineamento durante la realizzazione di una aI OLS E AE EET E ROSTA NOTI 34 Figura 2 23 caratterizzazione biomeccanica di un socket a contenimento ischiatico 35 Figura 2 24 a vista mediale b vista posteriore c vista dall alto di un socket MAS 36 Figura 2 25 vista mediale del profilo di un socket a contenimento ischiatico e di un socket MAS in cui si evidenzia la differenza tra il profilo di un contenimento ischiatico e quello di un c ntenimento ramal tieni 36 Figura 2 26 condizione biomeccanica di equilibrio per un socket MAS 37 Figura 2 27 esempio di cuffia per moncone da amputazione transfemorale 38 Figura 2 28 prova estrema effettuata per testare l efficacia di un sistema vacuum assistito allivamienie gf A veste rule a i e arie dee pale cn 40 Figura 2 29 a pachidermia b abrasione causata da eccesso di attrito c arrossamento da infezione micotica d necrosi tissutale estesa e dermatite da contatto f dermatite da contatto g iperplasia verrucosa h ulcera con necrosi tissutale causata da eccesso di pressione i dermatite con POMC OLS annali balena did 42 CAPITOLO 3 Figura 3 1 a struttura della mesh gli elementi prismatici nel centro rappresentano le strutture ossee 1 due strati intermedi corrispondono ai t
36. di contatto MAS Poliuretano e Poly SBS n 123 Figura 5 56 pressione di interfaccia in funzione dell allineamento sul piano frontale al 33 del ciclo del passo per le differenti tipologie di invasatura in esame 126 Figura 5 57 pressione di interfaccia in funzione dell allineamento sul piano frontale al 63 del ciclo del passo per le differenti tipologie di invasatura in esame 127 INDICE DELLE TABELLE CAPITOLO 2 Tabella 2 1 confronto tra record del mondo di atleti normodotati e disabili su distanze olimpiche A cacao Tate a ee seca antucac E E pucliees 26 CAPITOLO 4 Tabella 4 1 unit di misura utilizzate per l implementazione del modello 67 Tabella 4 2 elenco delle prove effettuate per la ricerca del valore ottimale di Kfepio 80 Tabella 4 3 carichi e momenti utilizzati per il contatto durante il cammino con convenzione dei SEUI CREME RAO SEO ARRE SE RO RO ER O PR ROSSE ORO O IO 88 Tabella 4 4 carichi e momenti utilizzati per la prova con momenti articolari variati del 10 90 CAPITOLO 5 Tabella 5 1 valori di Pmedia ricavabili per l invasatura IC OSIC Carbone in aree corporee di interesse ed in determinati istanti del ciclo del passo con piano di riferimento F Frontale o eli dei 102 Tabella 5 2 valori di Pmedia ricavabili per l invasatura IC OSIC Rodin 4D in aree corporee di interesse e
37. di curvatura localmente pi ampio per quella realizzata da Rodin 4D Inoltre si pu a questo punto notare una particolarit di questa invasatura ovvero l utilizzo del gluteo come punto di supporto creando dal punto di vista tecnico una condizione intermedia tra il contenimento ischiatico e l appoggio ischiatico tipico delle invasature quadrilaterali a conferma di questo si valuti la presenza di tessuto compresso sul gluteo nell area della tuberosit ischiatica gi al 27 del ciclo del passo con massimo al 33 in corrispondenza del massimo momento abduttorio Pmax tub_isch 0 040 MPa durante la fase flessoria il comportamento similare all invasatura precedentemente analizzata con valori confrontabili Viste mediale e laterale fig 5 18 5 19 coerentemente con il modello a contenimento ischiatico tutta l area dell ischio sottoposta ad una pressione distribuita durante il ciclo del passo con massimo pari a Pmax isch 0 082 MPa AP osic Rodin isch 34 2 la ricerca della motivazione si risolta con misurazione locale della curvatura risultata inferiore rispetto al modello di riferimento con quindi una superficie di contatto minore per quanto riguarda l area distale laterale grazie alla presenza di una sagomatura si ottenuto un valore di pressione paragonabile a quanto ottenuto in precedenza Pmax dist 1a 0 059 MPa 33 del ciclo del passo Vista dal basso fig 5 20 il contatto totale comporta un valore m
38. eccessiva compressione dei tessuti ed in grado di recuperare funzionalit con inversione del trend di decrescita locale della massa muscolare e quindi ipertrofia Il mantenimento della stabilit sul piano sagittale non necessita di una forza elevata applicata sull area del triangolo femorale poich se sul lato posteriore si ha la tuberosit ischiatica contenuta il resto del controllo a carico dalla muscolatura stessa in grado di contrarsi sia per il mantenimento dell equilibrio sia per il controllo di un ginocchio protesico Si noti inoltre sempre con riferimento alla fig 2 23 che il mantenimento del moncone in posizione addotta fisiologica grazie alla presenza della presa sottotrocanterica fa in modo che le spinte che agiscono sulle superfici ossee diano luogo ad una risultante S diretta verticalmente verso il centro dell anca H che va a sommarsi alla componente verticale della GRF Questa particolare configurazione molto vantaggiosa poich la risultante priva idealmente di braccio di leva rispetto al centro dell anca ed quindi assicurato il mantenimento della stabilit sul piano frontale in fase ortostatica senza possibilit che 6 Ground Reaction Force 34 Figura 2 23 caratterizzazione biomeccanica di un socket a contenimento ischiatico si generino momenti che possano perturbarla Poich durante il cammino principalmente nella fase di mid stance si generano sia momenti sul piano frontale ab
39. forze esterne in particolare i momenti adduttori ed abduttori Non disponendo di un set di dati numerici riguardanti le variazioni di questi ultimi in condizioni di allineamento non ottimale si deciso di verificare qualitativamente la sensitivit delle singole invasature alla variazione di questo parametro modificandone l inclinazione sul piano frontale Per ricondursi alla configurazione testata nell ultimo lavoro citato si arrivati ad una variazione angolare sul piano frontale pari a 6 sia nel verso dell abduzione che dell adduzione inoltre avendo la possibilit dal punto di vista operativo di modificare con assoluta semplicit la configurazione geometrica si simulato anche con una variazione angolare pari a 3 sia di adduzione che di abduzione in modo da poter comprendere in modo migliore il fenomeno Le condizioni di carico scelte sono quelle relative al massimo momento adduttorio abduttorio ovvero quelli corrispondenti al 33 e 63 del ciclo del passo che possibile rilevare in tab 4 3 4 6 ALTRI MODELLI La ricerca di un modello completo presuppone diversi step operativi che permettano di comprendere a fondo sia le caratteristiche positive e negative del software che si sta utilizzando sia quali siano gli aspetti che possibile semplificare senza creare distorsioni che compromettano la validit di quanto realizzato Per completezza si descriveranno ora i principali modelli realizzati durante questo
40. lavoro scartati nel corso dello sviluppo per non aver fornito risultati apprezzabili o aver evidenziato problematiche non risolvibili 4 6 1 Modello digitale ricavato da invasatura a contenimento ischiatico Ottenuta una invasatura a contenimento ischiatico dall azienda Roadrunnerfoot Engineering si proceduto utilizzando carta fogli di alluminio per confezionamento ed un miscuglio di colla vinilica ed acqua ad estrarre la forma interna della stessa per poi 17 http www roadrunnerfoot com 91 ricoprirla con uno strato di stucco da carrozzeria lavorato con carta vetrata al fine di renderlo liscio e poi verniciato con vernice da carrozzeria bianca il modello stato poi acquisito tramite scansione laser con proiettore Pangolin Laser Systems Inc fmax di proiezione nominale pari a 30000 punti s e sensore BTS Smart DX 100 facq pari a 100 Hz e salvato in formato stl utilizzandolo tramite il software Rhinoceros V5 SR6 come modello positivo per l estrazione della forma dell invasatura in formato digitale alcuni step del procedimento sono visibili in fig 4 25 Il moncone stato in seguito realizzato tramite il software Amira Visage 5 33 utilizzando i dati messi a disposizione dal Visible Human Project effettuando una segmentazione delle immagini tomografiche scaricate le forme ottenute sono state in seguito meshate con Altair Hypermesh V13 0 ed importate in PreView rendendosi conto che la superficie esterna ottenuta
41. maggiore rispetto a quella posteriore Inserendo il moncone all interno dell invasatura si crea una componente di forza in direzione posteriore che agisce sul triangolo femorale mantenendo la tuberosit ischiatica a contatto con la seduta fig 2 17 Un errore comune al tempo fu quello di enfatizzare troppo l importanza di questa componente di forza con una miglior conoscenza del fenomeno del contatto totale delle pareti del moncone con l invasatura si comprese che un aumento della dimensione antero posteriore della stessa permetteva di ottenere un miglior comfort un eccessiva pressione sul triangolo femorale causerebbe occlusione dei vasi venosi nell area ed eccessiva compressione delle strutture nervose senza perdere in stabilit antero posteriore grazie al sostegno al peso corporeo offerto da muscoli tendini pressione e pelle attrito 4 Figura 2 18 configurazione del bacino e del tronco con cammino a base ampia per amputato transfemorale con socket quadrilaterale Una problematica tuttora aperta riguarda invece la non corretta stabilizzazione in direzione medio laterale nel 1974 Ivan Long riconosciuto universalmente come un pioniere nell ambito protesico osservando il pattern di cammino di 100 amputati transfemorali veterani del Vietnam ricoverati al Fitzsimmons Army Hospital di Aurora CO indossanti una protesi con invasatura di tipo quadrilaterale al fine di valutare l allineamento del femore scopr che nel 9
42. mesh parametri costitutivi dei materiali e configurazione del problema da risolvere Questo valore che agisce da moltiplicatore sulle forze localmente normali alle superfici evitando la mutua compenetrazione tra le stesse o l instabilit della soluzione a causa delle 71 dipendenze sopra descritte risulta difficilmente stimabile Per agevolare il raggiungimento della convergenza del problema il software presenta quindi la possibilit di utilizzare un opzione di auto penalty che provi a calcolare automaticamente un adeguato valore per il suddetto parametro Per rinforzare la possibilit di convergenza possibile inoltre attivare un algoritmo Augmented Lagrangian del quale necessario impostare la tolleranza che tramite un procedimento di tipo iterativo calcola il valore di gap tra le due superfici fino al raggiungimento di un dato ottimale In ultima istanza possibile inserire un valore per il friction coefficient che sia compreso tra 0 ed 1 in accordo con 1 modelli teorici d attrito fig 4 6 Prove mirate effettuate durante il corso di questo lavoro hanno evidenziato in realt una indipendenza totale dei risultati dal valore di friction coefficient impostato probabilmente dovuta ad errori di programmazione del codice sorgente del software questo aspetto ha introdotto oggettive difficolt nella realizzazione dei modelli poich si perso un importante punto di contatto con la realt non potendo quindi calcolare i va
43. modeling of the contact interface between 138 transtibial residual limb and prosthetic socket Medical Engineering and Physics vol 26 no 8 2004 pp 655 662 32 Xiaohong J Zhang M Xiaobing L Lee WCC 4 quasi dynamic nonlinear finite element model to investigate prosthetic interface stresses during walking for trans tibial amputees Vol 20 No 6 July 2005 pp 630 365 33 Lee WCC Zhang M Using computational simulation to aid in the prediction of socket fit A preliminary study Medical Engineering amp Physics doi 10 1016 2006 34 Faustini MC Neptune RR Crawford HR The quasi static response of compliant prosthetic sockets for trans tibial amputees using finite element methods Med Eng Phys 2006 28 114 121 35 Zhang M Mak AFT A Finite Element Analysis of the Load Transfer Between an Above Knee Residual Limb and Its Prosthetic Socket Roles of Interface Friction and Distal End Boundary Conditions TEEE transactions on rehabilitation engineering Vol 4 No 4 1996 36 Tanaka M Akazawa Y Nakagawa A Kitayama I Identification of pressure distribution at the socket interface of an above knee prosthesis Advances in Engineering Software Vol 28 No 6 1997 pp 379 384 37 Krouskop TA Muilenberg AL Doughtery DR Winningham DJ Computer aided design of a prosthetic socket for an above knee amputee J Rehabil Res Dev 1987 24 2 31 8 38 Seguchi Y Tanaka M Nakagawa A Kitayama I Finite element analysis and load ide
44. modelli reali o non specifici per il problema studiato spesso provenienti da studi datati per quanto riguarda le caratteristiche meccaniche Concentrandosi sulla fig 3 6 si pu notare per esempio come negli studi di Steege et al 22 25 Reynolds et al 2 Brennan et al 5 etc la geometria del socket venga sostituita da 53 a T gloss nr y A E 1 WAN Ale A Ga ge Ca SA 8 5 5 me x tha Steege A Steege B Reynolds Sanders Silver Thorn Quesada Zhang Load Displacement Load E oad Load lt Pressure de lt i Krouskop Seguchi Brennan Torres Moreno Mak Lee Zhang te Fixed p Fixed with displacement for rectifications e Spring support Moment Figura 3 6 alcuni modelli FEM sia AK che BK presentati nell ultimo ventennio una condizione di vincolo zero displacement zero rotations applicata sulla superficie esterna del moncone senza necessit di definire quindi un contatto approssimando la superficie stessa come forma interna dell unrectified socket Si introducono in questo modo due astrazioni dalla realt esclusione dell effetto causato dal contatto con la geometria reale del socket rectified socket considerando solo quella di partenza ottenuta come stampo negativo della forma del moncone senza perci poter valutare la bont della formatura e le conseguenti variazioni negli sforzi sul moncone impossibilit nel simulare l effetto della calzata del socket e non valutazione del
45. moncone il contatto totale apice distale compreso si suppone come la scelta migliore in caso di buona copertura dell apice per evitare un eccesso di sforzi sul moncone che come gi discusso sono causa di patologie dermatologiche Si rende per necessario studiare al meglio l effetto pistoning citato nel secondo capitolo al fine di eliminare gli urti apicali contro il fondo dell invasatura i valori di pressione ottenuti sono molto bassi anche sommando per le invasature a contenimento ischiatico i valori di precarico calcolati ed esposti nello scorso paragrafo se confrontati con la soglia del dolore ricavata sperimentalmente 1 pazienti spesso esprimono sensazione che vanno dal lieve fastidio cutaneo fino al dolore vero e proprio Per quanto riguarda l invasatura quadrilaterale l unica ipotesi formulabile che come gi discusso in assenza di contatto totale la maggior parte del carico vada a gravare sulla tuberosit ischiatica che compressa presenti una soglia al dolore totalmente differente dal valore riscontrato sperimentalmente per il moncone l area perineale molto sensibile essendo poco ricoperta ed in particolare sottoponendola a continui cicli di carico e scarico l area si infiammi sensibilizzandosi maggiormente Per quanto riguarda le tipologie a contenimento ischiatico le ipotesi che possibile formulare sono due la prima che vi sia una sorta di condizionamento psicologico verso l utilizzo dell
46. not compressed the presence of the typical bony lock in ischial area creates two force components applied both to the ischium and subtrochanteric area and both directed towards the center of the hip The resultant ideally directed towards the center of the hip too being lever armless ensures the maintenance of stability The third and last one type of socket MAS was born in 2002 at the hands of Marlo Ortiz Vazquez Del Mercado The Mexican engineer tried to take the concepts of the ischial containment to an extreme level trying to contain only the ischial ramus in its medial aspect building an area named the ear and cutting the back wall of the socket below the gluteal plica allowing the patient to a gain in the range of motion The stability for this type of socket is highly dependent by the reaction forces generated from the contact of the ischial ramus with the ear it happens provided that there is an almost ideal contact between the soft tissues of the pelvis and the walls of the socket The liner is an hyperelastic element made of composite polymeric material polymer gel matrix solid in suspension and covered by a bioinert and hypoallergenic fabric in commercial thicknesses of 3 6 and 9 mm This component is thought to adapt the distribution of the stresses acting on the stump based on its shape variations due to hydration variations in the average composition of fat muscle etc making 1t homogeneous and making the coupling less pai
47. o di materiali leggeri come le leghe di titanio Nonostante tutti questi sforzi il recupero funzionale dell individuo tappa fondamentale per il reinserimento dello stesso nella forza lavoro o se l et non lo consente pi semplicemente per ridonargli autonomia passa per la soluzione di un grande problema la realizzazione di una corretta interfaccia tra la protesi e il moncone in cui spesso si frappone un elemento iperelastico smorzante in grado di redistribuire gli sforzi noto col nome di cuffia o liner Nel corso degli anni sia per incontrare le necessit del paziente sia per guadagnare fette di mercato sono state sviluppate tre macrofamiglie di invasature quadrilaterale per pazienti con basso livello di attivit fisica a contenimento ischiatico per pazienti con medio alto livello di attivit fisica MAS L invasatura quadrilaterale realizzata alla fine degli anni 40 dall universit di Berkeley prende il nome dalla forma caratteristica che si otterrebbe sezionandola all altezza della tuberosit ischiatica sul piano trasverso Le forze che concorrono al mantenimento della stabilit del paziente sul piano sagittale sono due la reazione verticale dovuta all appoggio della tuberosit ischiatica e di parte della muscolatura del gluteo sulla seduta ischiatica creata posteriormente lareazione in direzione anteroposteriore con verso posteriore dovuta al contatto del II moncone con la parete anteriore
48. of silicone gel the software has solved the contact in an inappropriate manner showing lot of artifacts that have not allowed to consider the model valid either from the point of view of quantity nor of quality XIV INDICE DEGLI ACRONIMI AK BK CAD CAM CAT CAM CG CIR COM CT DTI FB FEA FEM FFW GRF GUI IC MAS MRI NML PE PP PTB Q TFA ROM SACH SCAT CAM STS SWG TENS TFA TPE US UV VHD VHP VR XR Above the Knee Below the Knee Computer Aided Design and Manufacturing Contoured Adducted Trochanteric Controlled Alignment Method Computer Graphics Centro di Istantanea Rotazione Center Of Mass Computer Tomography Deep Tissue Injury FeedBack Finite Elements Analysis Finite Elements Method Feed Forward Ground Reaction Force Graphical User Interface Ischial Contaiment Marlo Anatomical Socket Magnetic Resonance Imaging Narrow Medio Lateral Polietilene Polipropilene Patellar Tendon Bearing Questionnaire for persons with TransFemoral Amputation Range Of Motion Solid Ankle Cushion Heel Skeletal Contoured Adducted Trochanteric Controlled Alignment Method Soft Tissue Sarcoma Sliding With Gaps Transcutaneous Electrical Nerve Stimulator TransFemoral Amputation ThermoPlastic Elastomer UltraSound UltraViolet Visual Human Dataset Visual Human Project Virtual Reality X Ray XV INDICE DELLE FIGURE INTRODUZIONE Figura I 1 dito protesico egizio ritrovato
49. pelvis rigid body 3 different ischial containment sockets made according to different design philosophies from OSIC Carbone Rodin 4D and Tom Most Neo Hookean hyperelastic material To the complete model of biological tissues has been imposed a vertical quasi static displacement minimizing inertial effects to overcome the difficulties of the software to solve contact with sliding surfaces not initially in contact if the geometric parts are moved in force control until convergence of the problem The results allowed to define different characteristics for three sockets belonging to the same XII family In particular it is highlighted the choice of the designers to create different support points among which there is also the ischial tuberosity despite this is presupposed to be unloaded according to the theories of the ischial containment The maximum pressures are obtained in the order of 0 1 MPa in the femoral triangle and 0 06 MPa in the medial ischial area The second model realized chosen static to limit the computational cost considering the stump already inserted into the liner and this one into the socket approximation introduced to meet the limitations of the software with the interface surfaces mirrored not interpenetrated thus losing the opportunity to evaluate the preload In particular the liner is used as a sensing element capable of measuring the contact pressure between residual limb and socket The geometr
50. pone DEI ta nel 0 om Figura 5 41 pressioni di contatto durante il ciclo del passo vista posteriore MAS Ap 27 xplt a wer ls I e i Li Sp 58 apt fy po ry paren L Figura 5 42 pressioni di contatto durante il ciclo del passo vista mediale MAS 112 1 d L 3 me a me F El l al Figura 5 43 pressioni di contatto durante il ciclo del passo vista mediale MAS 40 pl Aa ap Ip qims e el aren eri da Le nd ke ic p Se E E E Figura 5 44 pressioni di contatto durante il ciclo del passo vista dal basso MAS PRESSIONE DI CONTATTO MEDIA PIANO FRONTALE 0 14 0 12 o Z 5555555 gt 0 1 e amp 0 08 e Triangolo Femorale Z 0 06 e Anteriore Distale 9 5 0 04 e Hamstrings Posteriore Distale a 0 02 0 0 10 20 30 40 50 60 70 CICLO DEL PASSO Figura 5 45 P media in determinati istanti del ciclo del passo per alcune aree corporee MAS 113 PRESSIONE DI CONTATTO MEDIA PIANO SAGITTALE 0 07 o 0 06 gt dl 0 05 a i DEN 0 03 e 0 02 ca Sa e Laterale Distale e Ramo Ischiatico S PRESSIONE MPa 0 01 om 0 10 20 30 40 50 60 70 CICLO DEL PASSO Figura 5 46 Pmedia in determinati istanti del ciclo del passo per alcune aree corporee MAS PRESSIONE DI CONTATTO MEDIA PIANO SAGITTALE 0 08 0 07 e 0 06 e 325 0 05 0 04 AA 008 A e Ramo Ischi
51. questa una copia perfetta della superficie interna dell invasatura nel punto in cui si va a sostituirla La seconda invece da utilizzare per trasduttori di spessore infinitesimo migliore da un punto di vista prettamente teorico seppur necessiti di particolare precisione da parte dell operatore nell inserimento del trasduttore facendolo aderire nel miglior modo possibile alla superficie interna dell invasatura o del moncone in modo da interferire nel minor modo possibile con la misura che si va a compiere Specificamente alle amputazioni transfemorali le aree che sono state sensorizzate 60 Load cell Mount Piston Locking ring Adapter monu Figura 3 10 a esempio di trasduttore inserito attraverso l invasatura b Tekscan F Socket sia per quanto riguarda le misurazioni compiute in posizione ortostatica che in fase dinamica e per tutte le tipologie di invasatura analizzate sono state la parete anteriore e posteriore compiendo misurazioni su tutta l estensione delle stesse l area distale della parete laterale e l area prossimale di quella mediale con particolare attenzione sia medialmente che posteriormente ai contatti con tuberosit e ramo ischiatico Per concludere si pu pensare che l utilizzo di metodologia sperimentale possa comportare due problematiche che limitino la possibilit di costruire dataset per la confrontabilit l eccessiva dipendenza del dato numerico dall accoppiament
52. ricercando ovviamente la coerenza con il modello reale e sugli stessi si va poi ad imporre condizioni di carico o di spostamento forze momenti pressioni etc Partendo da un sistema continuo ad altissima complessit come detto solitamente basato su equazioni differenziali alle derivate parziali si approssima il problema come un sistema di equazioni algebriche con un numero finito di incognite con il valore delle stesse calcolato in corrispondenza dei nodi Ku f 4 1 con K matrice di rigidezza del sistema simmetrica definita positiva dimensione n X n che introduce la reazione delle forze ai nodi per uno spostamento unitario applicato agli stessi Al suo interno trovano collocazione le informazioni geometriche sul modello e numeriche sui parametri che compongono 1 legami costitutivi dei materiali u vettore degli spostamenti dimensione n X 1 al cui interno si trovano i valori degli spostamenti nodali della struttura 64 f vettore delle forze applicate n x 1 n gradi di libert del sistema La risoluzione del problema algebrico possibile se la matrice di rigidezza invertibile restituisce il valore delle incognite che possono essere gli spostamenti nodali nel caso di forze nodali imposte o viceversa risalendo poi tramite l applicazione dei legami costitutivi al calcolo di grandezze quali sforzi deformazioni pressioni di contatto reazioni vincolari etc 38 SABES BRER OBES 838
53. si noti che in entrambi i casi ad un valore J 1 il termine dipendente dalle deformazioni volumetriche scompare poich diviene moltiplicato per 0 Non avendo la possibilit di effettuare una vera prova meccanica su di un provino di tessuto molle biologico al fine di caratterizzare i parametri si deciso di simulare una prova di compressione tramite FEM La configurazione di prova utilizzata visualizzabile in fig 4 13 da cui si pu notare la scelta per il provino di una geometria cubica realizzato e meshato con esaedri del primo ordine tramite i tools interni di PreView in modo da massimizzare la compatibilit in presenza di sliding interface Le due piastre parallelepipede realizzate di dimensione molto maggiore rispetto al cubo in modo da evitare il presentarsi di effetti di bordo con quella inferiore vincolata a non traslare in alcuna direzione e non ruotare lungo alcun asse e quella superiore libera solo di traslare Figura 4 13 configurazione del modello per la prova di compressione simulata 79 verticalmente sotto uno spostamento imposto sono state modellizzate entrambe come rigid body mentre il provino tramite il legame costitutivo di Mooney Rivlin 1 valori dei due parametri sono stati calcolati considerando il tessuto biologico come un materiale con le seguenti caratteristiche valori principalmente utilizzati nei lavori presenti in letteratura E 0 03 MPa v 0 49 0 0101 MPa 2 1 v Ko E
54. sono citati tre materiali principalmente utilizzati per la realizzazione degli stessi ovvero silicone copolimero TPE poly SBS e poliuretano Questi materiali al fine di migliorare funzionalit del liner quali la capacit di distribuire gli sforzi uniformemente lo shock absorption etc non sono presenti in una singola fase ma in molteplici per esempio spesso come matrice semisolida di grani sferici circondati da gel e la ricerca delle caratteristiche meccaniche non semplice poich in letteratura si trovano solo dati generici riguardo a prove meccaniche su provini di materiale in singola fase di cui spesso non sono indicate le configurazioni di prova e le aziende produttrici sono restie a fornire dati sperimentali poich considerati segreto aziendale Avendo la necessit di valutare la risposta del modello a variazioni delle caratteristiche meccaniche dell elemento sensibile nello specifico del modulo di Young si deciso di utilizzare 1 dati presenti in letteratura riguardo alle tre tipologie di materiali presenti sul mercato il silicone utilizzato per la maggior parte dei dispositivi venduti stato considerato per le prove presentate nel paragrafo 4 4 per quanto riguarda i due materiali alternativi citati prima i valori trovati sono i seguentil 921 Enotiuretano 4 7 MPa per Putilizzo a contatto con il corpo umano Upoliuretano 7 0 45 Enoly SBS 2 0 MPa Upoly SBS 0 48 La condizione di carico applicata al
55. sulla superficie interna della cuffia mentre dal 5 all 8 sono sulla pelle dell arto quando la pelle va a contatto con la cuffia lo spessore degli elementi di interfaccia tende a zero 4 approccio la poca coerenza con il modello reale nel caso di grandi deformazioni poich la definizione di gap elements comporta la creazione di una connessione esclusiva arbitraria in realt non esistente tra le coppie di nodi delle superfici a contatto L arbitrariet in questo caso dovuta sia alla scelta della posizione iniziale degli elementi che si deve mettere a contatto sia alla scelta delle connessioni esclusive il risultato ottenuto comporterebbe una sovrastima degli sforzi Una effettiva introduzione del modello di attrito classico venne proposta sempre da Zhang et al 85 in uno studio dell anno successivo 1996 in cui venne realizzato un modello bidimensionale fig 3 2 che rappresentasse il contatto sul solo piano sagittale utilizzando interface elements al fine di studiare la dipendenza del problema dal valore del coefficiente d attrito La condizione di carico applicata consistette in un carico verticale distribuito di 4 e si fece variare il valore del coefficiente d attrito tra 0 e 0 9 Figura 3 2 a geometria bidimensionale per il modello proposto da Zhang et al 5 b interface elements utilizzati per la definizione del contatto tra moncone ed invasatura 5 51 I risultati furono molto interessan
56. viene specificato quale fosse stato il criterio di scelta di quel numero o se derivasse da uno studio preliminare l ipotesi che ci si sente accettare che si sia sempre operato per la minimizzazione del costo computazionale a costo di perdere alcuni dettagli geometrici come nel caso delle cicatrici 3 1 2 Le propriet meccaniche Caratterizzare un materiale dal punto di vista meccanico corrisponde a definire i valori da assegnare alle costanti tipiche del modello che si scelto per rappresentare il materiale stesso Ricordando le geometrie definite nello scorso paragrafo e necessarie alla realizzazione del modello definitivo si andati alla ricerca dei legami costitutivi maggiormente utilizzati per 10 Deep Tissue Injury 47 ognuna di esse Il socket o invaso stato modellizzato dalla maggior parte degli autori come un materiale omogeneo elastico lineare isotropo E 1 3 GPa v 0 30 P4 29 31 34 35 43 47 53 con l obiettivo di calcolare grandezze quali lo stato di sforzo o di deformazione del componente Se non vi fosse invece questa necessit considerate le caratteristiche di rigidezza del materiale solitamente polietilene o polipropilene maggiori di alcuni ordini di grandezza rispetto a quelle dei tessuti molli considerato un corpo rigido 3 33 281 Riguardo ai tessuti biologici utile come prima elencare tutti quelli presenti nei distretti corporei di interesse tessuto muscolare tessut
57. 1 valori di pressione stimati rispetto ai valori calcolati da XXI Tabella 5 9 pressione d interfaccia MPa all estremit laterale distale per diverse condizioni di allineamento delle invasature in esame al 33 e 63 del ciclo del passo 126 APPENDICE A Tabella A 1 valori di pressione predetti MPa per l invasatura Rodin 4D TF triangolo femorale AD anteriore distale PD posteriore distale G gluteo I ischio LD Laterale dialettico ai ie ai O A AS i 343 Tabella A 2 valori di pressione predetti MPa per l invasatura Tom Most TF triangolo femorale AD anteriore distale PD posteriore distale G gluteo I ischio LD Laterale distal aio 123 Tabella A 3 valori di pressione predetti MPa per l invasatura quadrilaterale TF triangolo femorale AD anteriore distale PD posteriore distale G luteo TI tuberosit ischiatica LD Eateralo distal dada 123 Tabella A 4 valori di pressione predetti MPa per l invasatura MAS TF triangolo femorale AD anteriore distale PD posteriore distale H hamstrings RI S ramo ischiatico piano sagittale RI T ramo ischiatico piano trasversale LD Laterale distale 456 Tabella A 5 valori di pressione MPa calcolati da FEBio per l invasatura Rodin 4D con valori dei momenti articolari 10 TF triangolo femorale AD anteriore distale PD posteriore distale G gluteo I ischio LD laterale distale 456 Tabella A 6 valori di pressione MPa calco
58. 10 P33 P AMaba 10 33 RE Sp 0SIC AMapa 10 Ba 7P 1 1004 1 1 33 33 AMaba 10 P 63 AM fiex 109 P L flex 10 63 _ SP OSICAM flex 10 p 1 0998 1 1 63 33 AM flex 10 Gli stessi sono stati approssimati a 1 1 compiendo un errore massimo pari allo 0 036 In seguito i coefficienti sopra riportati sono stati utilizzati per predire i valori di pressione per le altre invasature nell ipotesi che se vi fosse una dipendenza dalla geometria dell invasatura questa si sarebbe espressa analiticamente con dei valori percentualmente bassi in grado di far compiere un errore assoluto assolutamente irrilevante in una ipotetica prima fase di progettazione dell invasatura I dati stimati relativi ad aumenti e diminuzioni del 10 dei massimi momenti articolari sono stati quindi calcolati sulla base dell equazione 5 2 P t Pris E Spam 10 1 Prif 5 2 I valori ricavati sono indicati nelle seguenti tabelle evidenziati in grigio Rodin 4D TF AD PD G I LD 23 AMex 10 0 1089 0 0513 23 0 1210 23 AMe 10 0 1331 63 AMpex 10 0 0103 0 0117 63 0 0114 0 0130 63 AMpex 10 0 0125 0 0143 33 AMaba 10 33 0 0740 0 0527 0 0822 0 0585 33 AMabta 10 0 0904 0 0644 Tabella A l valori di pressione predetti MPa per l invasatura Rodin 4D TF triangolo femorale AD anteriore distale PD posteriore distale G gluteo I ischio LD Laterale distale 133
59. 2 dei casi questi camminavano con un ampia base di appoggio come gi esposto da Radcliffe nel 1955 5 mostrando presenza del segno di Trendelenburg e inclinazione del busto verso il lato dell arto amputato fig 2 18 Ad un esame pi Il Segno di Trendelenburg alt zoppia dell anca imputabile alla paralisi dei muscoli abduttori Si manifesta con inclinazione del tronco verso il lato in cui si ha deficit muscolare e caduta del bacino verso il lato opposto 30 approfondito grazie ad un apparecchiatura a raggi X Long scopri che durante la fase di postura ortostatica la media degli angoli di abduzione del femore per questi pazienti era circa di 20 si veda un esempio in fig 2 191 Figura 2 19 radiografia di un paziente in fase ortostatica nella quale evidente a destra la posizione abdotta del segmento femorale residuo linea rossa Si confronti la posizione con quella dell arto sano linea blu Volendo analizzare il problema riscontrato in fase ortostatica dal punto di vista biomeccanico come da fig 2 20 si pu modellizzare il bacino come una leva 9 con l appoggio S posto nel punto in cui la tuberosit ischiatica appoggia sulla seduta il peso corporeo dell individuo W genera rispetto a questo punto un momento M M W x 2 3 Per evitare che il bacino cada per effetto di questo momento verso l emilato sano il muscolo gluteo medio si dovr contrarre creando al proprio interno una t
60. 3 5 scorrimento relativo medio e massimo all interfaccia In letteratura nonostante i risultati ottenuti dallo studio di Zhang et al il range di valori utilizzati per fa molto ampio con scelte fatte senza giustificazione su basi empiriche oppure basate su prove fatte su campioni dei materiali a contatto es pelle vs polietilene campioni di cui spesso non si a conoscenza della geometria n della provenienza con risultati molto variabili in dipendenza dal sito di misurazione Il valore scelto con maggiore frequenza per le analisi FEM f 0 583 probabilmente considerato teoricamente come valore centrale nell intervallo dei possibili valori utilizzabili questo in aggiunta alle approssimazioni che verranno presentate nell immediato seguito creano una eterogeneit di risultati che rende i lavori poco confrontabili in valore assoluto Le alternative rinvenibili pi o meno valide ai gap elements sopracitati sono molto varie ed in particolar modo per gli studi pi datati denotano una metodologia lavorativa adattiva alla tecnologia hardware e software che non consentiva la realizzazione di modelli troppo complessi L introduzione di spesso grandi approssimazioni permettevano una semplificazione del problema tramite la forzatura di condizioni al contorno poco adeguate al modello reale condizioni di carico valevoli per solo taluni istanti limitati del gait cycle o inserimento di valori in discordanza rispetto a
61. 413 Tabella A 7 valori di pressione MPa calcolati da FEBio per l invasatura quadrilaterale con valori dei momenti articolari 10 TF triangolo femorale AD anteriore distale PD posteriore distale TI tuberosit ischiatica MP mediale prossimale LD laterale distale 135 MAS TF AD PD H RKS RI T LD 23 AMex 10 0 0945 0 0574 23 AMex 10 0 1154 0 0701 63 AMpex 10 0 0189 0 0139 63 AMpex 10 0 0231 0 0170 33 AMana 10 0 0576 0 0512 0 0345 33 AMapa 10 0 0703 0 0626 0 0421 Tabella A 8 valori di pressione MPa calcolati da FEBio per l invasatura MAS con valori dei momenti articolari 10 TF triangolo femorale AD anteriore distale PD posteriore distale H hamstrings RI S ramo ischiatico piano sagittale RI T ramo ischiatico piano trasversale LD Laterale distale Sulla base dei dati calcolati da FEBio e di quelli stimati con l equazione 5 2 si proceduto a calcolare l errore percentuale per ognuna delle invasature con la formula A 1 prendendo come riferimento esatto i valori calcolati dal software Pi Per ey stim 000 4 1 Prebio In seguito per ogni invasatura stata calcolata la media e la deviazione standard degli errori con l ausilio di Microsoft Excel 2013 risultati ottenuti sono riassunti nella seguente tabella INVASATURA e medio DEV STDe TIPO DI ERRORE Rodin 4D 1 97 0 032 sovrastima Tom Most 2 09 0 026 sovrastima Q
62. 49 e Zhang L et al Concentrandosi sull amputazione transfemorale il primo modello di cui si trova traccia venne realizzato da Krouskop et al 87 nel 1987 che procedettero nella seguente metodologia Geometria acquisizione della morfologia esterna del moncone tramite l uso di due sonde spaziali a contatto retrattili montate su un supporto in posizione diametralmente opposta effettuando in seguito una scansione US per determinare sia la posizione spaziale del femore sia la composizione e la distribuzione dei tessuti in modo da valutarne le caratteristiche meccaniche medie I tessuti sono stati in seguito modellizzati come un volume omogeneo composto da un materiale isotropo elastico lineare Condizioni al contorno di carico applicazione di un pattern pressorio statico sulla superficie superiore ottenuto mediando dei valori rilevati con approccio sperimentale su campioni di soggetti con calzata una protesi transfemorale di tipo quadrilaterale L obiettivo finale degli autori fu quello di ottenere lo spostamento spaziale dei nodi del modello del moncone con valore predittivo rispetto alla forma del moncone sotto carico utilizzando la geometria ottenuta per realizzare tramite una macchina utensile a controllo numerico un socket di forma corrispondente Le critiche che si possono muovere sono molteplici non dimenticando l anno di pubblicazione 1987 ed il gap tecnologico rispetto ad oggi una delle pi importanti riguarda lo str
63. EEE ES seen ws far WO A SERS Be Se eee L AS 1950 1955 1960 1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 SS Figura 1 1 World Gini Index A prova di quanto appena concluso si valuti l andamento del coefficiente di Gini per la distribuzione della ricchezza mondiale Questo indice statistico a valori compresi tra 0 ed 1 che misura la diseguaglianza di una distribuzione a valori bassi associa una omogeneit di distribuzione del carattere studiato e viceversa a valori alti associa una disomogeneit di distribuzione dello stesso Valutando la fig 1 1 Indice di Gini si nota come questo sia in crescita costante a confermare l arricchimento dei Paesi del Primo Mondo a discapito di quelli del Terzo Mondo Si andr ora ad analizzare quanto avviene a livello globale distinguendo tra Paesi ad alto tasso di industrializzazione e Paesi poveri valutando nello specifico la situazione italiana e descrivendo brevemente in seguito dal punto di vista clinico gli aspetti eziologici in grado di condurre un paziente all amputazione d arto 1 1 EPIDEMIOLOGIA GLOBALE Uno studio portato a termine nel 2003 da parte del Louisiana State University Health Sciences Center stima che in tutto il mondo ci siano ogni anno tra 200 milioni e 300 milioni nuove amputazioni di cui circa 1 85 di arto inferiore La contrapposizione tra paesi occidentali ad alto tasso di industrializzazione e di scolarizzazione e paesi in via di sviluppo in cui spesso
64. Gritti Stokes alternativa a quella sovraesposta e presuppone l esecuzione dell amputazione nel piano di passaggio tra metafisi e diafisi femorali distali con l applicazione della rotula sezionata a livello dell equatore sulla superficie trasversale del femore che in breve tempo considerate le proprie caratteristiche di osso spongioso si fonder col femore residuo indicata in particolari situazioni come ad esempio la necessit funzionale di adottare alcune componenti protesiche che indossate sul moncone risultante da transcondiloidea comporterebbero un notevole abbassamento del centro articolare del ginocchio protesico rendendo l asimmetria rispetto all arto controlaterale evidente e non funzionale Figura 2 2 differenti livelli di amputazione transcondiloidea Il vantaggio principale di questo tipo di intervento l ottenimento di un moncone che presenta un ottimo braccio di leva con gravabilit apicale distale lo stesso per contro perde la caratteristica forma tronco conica rendendo difficoltoso l ancoraggio stabile ad un ausilio protesico convenzionale L amputazione transfemorale viene eseguita con una resezione a livello della diafisi femorale con perdita di massa corporea per una percentuale compresa tra il 12 ed il 15 e conseguente spostamento del COM verso l emicorpo integro Seguendo lo schema previsto da Slocum fig 2 3 in base al tratto ove l intervento di resezione venga eseguito si distingue
65. I COMPRESSIONE VOLUME RELATIVO 120 0 o 100 0 gt 800 K C1 1 K C1 10 D 60 0 pa K C1 100 D z 40 0 gt K C1 1000 3 20 0 K C1 10000 gt 0 0 K C1 100000 0 00 2 00 4 00 6 00 8 00 10 00 12 00 1400 16 00 TEMPO DI SIMULAZIONE Figura 5 1 volume relativo in funzione del tempo per diversi valori del rapporto K febio C1 CARATTERISTICA MECCANICA DEL TESSUTO BIOLOGICO 0 30 0 25 0 20 K C1 1 Su K C1 10 S 015 a K C1 100 o chi XK C1 1000 0 05 K C1 10000 0 00 K C1 100000 0 00 10 00 20 00 30 00 40 00 50 00 E Figura 5 2 caratteristica meccanica del tessuto biologico per diversi valori del rapporto Kfepi C1 95 CARATTERISTICA MECCANICA MATERIALI NEO HOOKEANI 0 16 0 14 0 12 0 10 0 08 0 06 0 04 0 02 0 00 0 00 10 00 20 00 30 00 40 00 50 00 60 00 Neo Hookean E 0 03 MPa Neo Hookean E 0 06 MPa o MPa Figura 5 3 caratteristica meccanica di due materiali Neo Hookeani per ricerca del modulo di Young reale PRESSIONE DI CONTATTO TRA PIASTRA E PROVINO 0 12 0 1 0 08 0 06 0 04 0 02 Contact Pressure PRESSIONE MPa o N S 6 8 10 12 14 16 TEMPO DI SIMULAZIONE Figura 5 4 pressione di contatto tra piastra superiore e superficie superiore del provino 5 1 1 Analisi dei risultati Al fine di scegliere il valore corretto per il parametro Kyebio si presa come riferimento la variazione relativa di v
66. K Br nemark R H gg O Questionnaire for Persons with a Transfemoral Amputation O TFA Initial validity and reliability of a new outcome measure J Rehabil Res Dev 2004 41 5 695 706 65 Duncan WJ Collar AR Matrices applied to the motions of damped systems Phil Magn 19 7 1935 p 197 66 Frazer RA Duncan WJ Collar AR Elementary matrices and some applications to dynamics and differential equations 1st ed Cambridge Cambridge University Press 1938 7th paperback printing 1963 67 Collar AR The first fifty years of aeroelasticity Aerospace vol 5 no 2 pp 12 20 1978 68 Turner MJ Clough RW Martin HC Topp LC Stiffness and Deflection Analysis of Complex Structures Journal of the Aeronautical Sciences 1956 23 pp 805 820 69 Nackenhorst U Lutz A Fietz K Simulation of the Physiological Contact Pressure Distribution in the Human Hip Joint Proc Appl Math Mech n 9 2009 pp 149 150 70 PreView s User Manual Appendix A Mesh Import Formats pp 70 72 71 FEBio s Theory Manual 4 1 Solid Elements pp 57 72 Laursen TA Simo JC A continuum based finite element formulation for the implicit solution of multibody large deformation frictional contact problems International Journal For Numerical Methods In Engineering 1993 n 36 pp 3451 3485 73 FEBio s Theory Manual 6 6 Tied Contact pp 113 114 74 FEBio s User Manual 3 2 Format Specification Versions pp 16 75 FEBio s User
67. Manual 2 3 The Command Line pp 6 9 76 FEBio s User Manual 4 7 Rigid Body pp 145 77 FEBio s Theory Manual 5 23 Neo Hookean Hyperelasticity pp 71 72 78 FEBio s User Manual 4 1 2 7 Mooney Rivlin pp 72 79 Zhang M Roberts C Comparison of computational analysis with clinical measurement of stresses in below knee residual limb in a prosthetic socket Medical Engineering And Physics 2000 22 80 Dati forniti dal prof Frigo CA 81 Kanyanta V Ivankovic A Mechanical characterization of polyurethane elastomer for biomedical applications Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials 3 1 51 62 2010 82 http www azom com properties aspx ArticlelD 1844 83 Kobayashi T Orendurff MS Boone DA Effect of alignment changes on socket reaction moments during gait in transfemoral and knee disarticulation prostheses Case series Journal Of Biomechanics n 46 141 2013 pp 2539 2545 84 Zhang M Mak A Lee WC Regional differences in pain threshold and tolerance of the residual limb including the effects of age and interface material Archives of Physical Medicine Rehabilitation vol 86 2005 pp 641 649 142
68. NSIBILE CuMa mm xpit Culla Imm plt ge Stpm CuMa mm xpit tamsa sere Cuttiagmm xpit Figura 5 49 pressione di contatto Quadrilaterale elemento sensibile di spessore 3 mm e 9 mm Cuttia3mm xpit CCuftiagmm xpit anys di d Figura 5 50 pressione di contatto MAS elemento sensibile di spessore 3 mm e 9 mm 120 Pmedia MPa IC3 IC9 QUAD3 QUAD9 MAS3 MAS9 Triangolo Femorale F 0 124 0 09 0 088 0 058 0 126 0 115 Posteriore Distale F 0 065 0 048 0 063 0 041 0 087 0 078 Mediale Prossimale S 0 065 0 043 Tuberosita Ischiatica S 0 061 0 044 Laterale Distale S 0 068 0 049 0 055 0 036 0 059 0 053 Ramo Ischiatico S 0 062 0 056 Ramo Ischiatico T 0 055 0 05 Apicale Distale T 0 056 0 041 0 05 0 032 0 045 0 041 Tabella 5 6 Pmedia al 27 del ciclo del passo per determinate aree corporee in dipendenza dallo spessore dell elemento sensibile 3 e 9 mm con piano di riferimento F Frontale S Sagittale T Trasversale 5 4 1 Analisi dei risultati La modifica dello spessore dell elemento sensibile liner stata effettuata in altri due valori equispaziati rispetto a quello standard 6 3 mm sia perch entrambi spessori commerciali sia principalmente per valutare se per le differenti tipologie di invasatura fosse possibile calcolare un coefficiente di sensitivit che permettesse di estendere i risultati a ipotetici ulteriori spesso
69. OLEA au ses aa tase ba vi ade Shana agen eae ose ti 20 Figura 2 10 protesi cinematica per arto Superiore cceccesesssesccssesseessencescssssencesesenesssaseccnenseatees 21 Figura 2 11 piede policentrico a restituzione di energia ii 22 Figura 2 12 esempio di protesi transfemorale endoscheletrica ed esoscheletrica 23 Figura 2 13 componenti principali di una protesi transfemorale esoscheletrica 23 Figura 214 Piede SAC Hd E EA EE 25 Figura 2 15 piedi sportivi utilizzati da atleti paralimpici amputati transtibiali cat T43 26 Figura 2 16 socket quadrilaterale si noti lo spot dove si ha l area di contatto della tuberosit SMI A alia ii 29 Figura 2 17 equilibrio in direzione antero posteriore per un socket quadrilaterale piano A Drain bici A a RA 29 Figura 2 18 configurazione del bacino e del tronco con cammino a base ampia per amputato XVI transfemorale con socket quadrilaterale ii 30 Figura 2 19 radiografia di un paziente in fase ortostatica nella quale evidente a destra la posizione abdotta del segmento femorale residuo linea rossa Si confronti la posizione con quella drenan 31 Figura 2 20 equilibrio in direzione medio laterale per un socket quadrilaterale piano frontale 32 Figura 2 21 a vista posteriore b vista antero mediale c vista dall alto di un socket IC 33 Figura 2 22 a schematizzazione
70. POLITECNICO DI MILANO Corso di Laurea Specialistica in Ingegneria Biomedica Scuola di Ingegneria Industriale e dell Informazione ANALISI NUMERICA DELLE PRESSIONI ALL INTERFACCIA TRA IL MONCONE DI UN AMPUTATO TRANSFEMORALE E TRE DIFFERENTI TIPOLOGIE DI INVASATURA DURANTE LA CALZATA ED IL CAMMINO Relatore Prof Carlo A FRIGO Correlatore Ing Esteban PAVAN Autore Matteo Domenico ROTTA Matricola n 711888 ANNO ACCADEMICO 2013 2014 On a given day a given circumstance you think you have a limit And you then go for this limit and you touch this limit and you think Okay this is the limit As soon as you touch this limit something happens and you suddenly can go a little bit further With your mind power your determination your instinct and the experience as well you can fly very high Ayrton Senna da Silva You will never know the feeling of a driver when winning a race The helmet hides feelings that cannot be understood Ayrton Senna da Silva INDICE SOMMARIO I ABSTRACT VIII INDICE DEGLI ACRONIMI XV INDICE DELLE FIGURE XVI INDICE DELLE TABELLE XXI INTRODUZIONE 1 CAPITOLO 1 5 1 1 EPIDEMIOLOGIA GLOBALE csi da 6 1 2 EPIDEMIOLOGIA ITALIANA Couso Dalai elias 8 A rE A E sila 9 to A a a a aa 10 TE E T SA desde 10 133 Neoplasie Puma aia 11 1 3 4 Malfotm zioni congenite allibita 12 CAPITOLO 2 13 2l TAMPUTAZIONE srian nme A O alii dio 13 ZA Lamnpitazione di costie
71. Patente a punti thanks to which the number of death and hurts due to car crash decreased highly The replacement of a lower limb with a prosthesis in particular a transfemoral one is a very complex procedure since it is found to have to replace the function of two very important articulations that are the tibiotarsal joint and the knee From this point of view technological research has made progress by leaps and bounds both thanks to developments in electronics and information technology sciences with the use of integrated circuits that interact with sensors placed on the prosthesis in order to reproduce via actuators a physiological movement of the limb and materials science use of composite materials such as carbon fiber or lightweight materials such as titanium alloys Despite all these efforts the functional recovery of the individual key step for the reintegration of the same in the workforce or if age doesn t allow it simply to restore their autonomy passes through the solution of a big problem the creation of a proper interface between the prosthesis and the stump in which often is interposed a damping hyperelastic element able to redistribute the stresses known as the liner Over the years both to greet the need of the patient and to gain market shares have been developed three macrofamilies of sockets quadrilateral for patients with low level of physical activity ischial containment for patients with medium to high le
72. TRI DIINGRESSO o LALA o O Poa hes 88 45 1 Spessore dell elemento Sensible a o Lala 88 4 5 2 Materiale dell elemento Sensible a A elena 89 4 5 3 Variazioni dei momenti artico ld da 90 4 5 4 Variazioni dell allineamento nono noonco nono non nnonncncrnr ronca ninos 91 4 6 ALTRI A ale ae 91 4 6 1 Modello digitale ricavato da invasatura a contenimento ischiatico 91 4 6 2 Moncone ed invasatura di forma geometrica cilindrica in 93 CAPITOLO 5 95 5 1 PROVA DI COMPRESSIONE aba 95 OSL A A E E a 96 5 2 MODELLIZZAZIONE DELLA CALZATA DEL SOCKET iii 98 5 2 1 AAA A A ia 98 5 3 MODELLIZZAZIONE DEL CONTATTO TRA MONCONE ED INVASATURA DURANTE IL CAMMINO v e a tried ia 100 5 3 1 Invasatura a contenimento ischiatico OSIC Carbone iene 100 5 3 2 Invasatura a contenimento ischiatico Rodin 4D 103 5 3 3 Invasatura a contenimento ischiatico TOM MOST 106 DiS A Inyasat ta quadilaterale ari aiar 109 Dido Invasatura MAS aloni lella e ai 112 5 3 6 Analisi dei risultati ue 115 5 3 6 1 OSIC Carbone iii 115 53 62 1 ROG AD ii den aida 116 53 03 A aaa 117 53 64 Quadrilateral ey ss ss nale ol anita 117 5300 PAS rallo Rial 118 5 4 SENSITIVITA DEL MODELLO A VARIAZIONE DELLO SPESSORE DELE ELEMENTO SENS EEE iii ii 120 5 4 1 Analisi dei risultati rn nr nn rnn ron nora n nn rr nora
73. Tom Most TF AD PD G I LD 23 AMex 10 0 0775 0 0517 23 0 0861 0 0574 23 AMex 10 0 0947 0 0632 63 AMpex 10 0 0111 0 0143 63 0 0123 0 0159 63 AMpex 10 0 0136 0 0175 33 AMaba 10 0 0297 0 0469 33 0 0330 0 0521 33 AMapa 10 0 0363 0 0573 Tabella A 2 valori di pressione predetti MPa per linvasatura Tom Most TF triangolo femorale AD anteriore distale PD posteriore distale G gluteo I ischio LD Laterale distale Quadrilaterale TF AD PD TI MP LD 23 AMex 10 0 0645 0 0457 23 0 0717 0 0508 23 AMex 10 0 0788 0 0559 63 AMpex 10 0 0120 0 0104 63 0 0134 0 0116 63 AMpex 10 0 0147 0 0127 33 AMara 10 0 0398 0 0344 33 33 AMava 10 0 0442 0 0382 0 0486 0 0420 Tabella A 3 valori di pressione predetti MPa per l invasatura quadrilaterale TF triangolo femorale AD anteriore distale PD posteriore distale G luteo TI tuberosit ischiatica LD Laterale distale MAS TF AD PD H RI S RIT LD 23 AMeu 10 0 0972 0 0591 23 0 1080 0 0656 23 AMeu 10 0 1188 0 0722 63 AMpex 10 0 0194 0 0143 63 0 0216 0 0159 63 AMpex 10 0 0237 0 0175 33 AMara 10 33 0 0592 0 0527 0 0355 0 0658 0 0586 0 0394 33 AMara 10 0 0724 0 0644 0 0434 Tabella A 4 valori di pressione predetti MPa per l invasatura MAS TF triangolo femorale AD anteriore distale PD posteriore distale H hamstrings RI S r
74. a configurazione di prova sia ben realizzata per l obiettivo la catalogazione dei dati non stata fatta relativamente al peso corporeo dei soggetti o tipologia di invasatura o come sarebbe pi logico aspettarsi secondo entrambi gli aspetti ma semplicemente per valori assoluti di scorrimento non permettendo in questo modo un analisi critica degli stessi 59 Inoltre sarebbe da valutare quanto il fastidio causato dal contatto tra la penna e la superficie del moncone possa aver influenzato i pazienti durante il cammino producendo risultati inferiori in modulo Per poter fornire una panoramica dettagliata della metodologia operativa di misurazione di sforzi pressori all interfaccia tra moncone e protesi si rende necessario per prima cosa distinguere le diverse tipologie di trasduttori utilizzati volendo uniformarsi alla classificazione di Sanders 2 questi possono essere a fluido formati da un cuscinetto riempito di fluido che muovendosi per effetto della pressione dovuta al contatto modifica la pressione misurata all interfaccia di un serbatoio aria fluido meccanici in cui viene compresso un pistone la cui area della superficie di base nota con presenza di una cella di carico sul fondo al cilindro in modo da poter misurare la forza esercitata e ricavando quindi la pressione come quoziente tra forza ed area estensimetrici a diaframma in cui la deformazione di una membrana diaframma indotta da una pressione a
75. a sviluppo rudimentale o segmentario di un arto associato a deformit es focomelia di arto inferiore e piede torto varo equino supinato emimelia longitudinale si riscontra solo a carico di avambraccio e gambe polidattilia aumento numerico dei raggi digitali oligodattilia diminuzione numerica dei raggi digitali sindattilia fusione di due o pi dita 12 CAPITOLO 2 Una corretta analisi del problema non puo prescindere dalla considerazione di tutti 1 fattori che possano influenzare il risultato ricercato Proprio per questo motivo necessario valutare le tipologie di amputazione che siano chirurgicamente effettuabili soffermandosi in particolare sull amputazione transfemorale indagandone brevemente le tecniche e le criticit risulta altres importantissimo esplorare il mondo delle protesi studiando le caratteristiche delle tre principali tipologie di invasatura socket per pazienti con amputazione transfemorale quadrilaterale a contenimento ischiatico e MAS non dimenticando un piccolo approfondimento riguardante le condizioni patologiche da evitare causate da eccessive sollecitazioni sia pressorie che di scorrimento shear stress 2 1 L AMPUTAZIONE Per amputazione clinicamente parlando si intende un intervento altamente invalidante che implica la rimozione spontanea chirurgica o traumatica di un segmento corporeo o parte corporea ottenuta sezionando lo scheletro nella sua continuit
76. a classificazione suddetta nella 6 classe 24 sottoclasse possono essere distinte in esoscheletriche o endoscheletriche si veda per confronto la fig 2 12 Le prime caratterizzate da una cosmesi fabbricata in legno resine sintetiche da laminazione o poliuretani espansi con funzione portante presentano buone 22 Figura 2 12 esempio di protesi transfemorale endoscheletrica ed esoscheletrica caratteristiche di resistenza ma capacit funzionali limitate ed elevato peso proprio sono sempre meno utilizzate se non come protesi da bagno o in casi in cui condizioni legate al paziente quali l abitudine o fattori geografici siano da controindicazione all applicazione di componenti ad alta tecnologia Le seconde caratterizzate da un pilone con funzione portante inserito tra il ginocchio ed il piede sono rivestite da una cosmesi in gomma espansa con notevole miglioramento estetico rispetto alle esoscheletriche mantengono un peso proprio contenuto grazie all utilizzo di materiali come leghe di alluminio di titanio e materiali compositi L innovazione principale associata a questa tipologia la modularit intercambiabilit dei componenti oltre ad una rapida e semplice possibilit di modifica dell allineamento problematica che verr disquisita in seguito inteso come ricerca dell assetto ottimale del device sia in fase ortostatica che dinamica Socket Ginocchio Protesico Pilone Piede Protesico con cosmesi
77. a legge costitutiva che governa questa tipologia di materiale in FEBio la seguente 8 Y Ci 3 Ca f 3 K In J 4 5 dove 78 C Cz parametri costitutivi del materiale I I primo e secondo invariante della componente deviatorica del tensore sinistro delle deformazioni di Cauchy Green K impropriamente chiamato bulk modulus in realt un valore di penalty quindi senza collegamento fisico con un valore reale attraverso il quale si va ad imporre l incomprimibilit del materiale oggetto di studio J determinante del tensore del gradiente di deformazione Se confrontata con l equazione 3 5 utilizzata in ABAOUS per descrivere lo stesso modello si possono notare principalmente tre differenze il termine C che nel modello precedentemente presentato presente col nome di C11 che in FEBio moltiplica solo un termine legato al secondo invariante L effetto di questo coefficiente quello di accoppiare dal punto di vista degli sforzi e delle deformazioni la risposta dilatativa con quella deviatorica Nel software in esame va posto uguale a zero poich il modello accoppiato non ancora implementato la definizione di K che nel caso di ABAQUS rappresenta propriamente il valore del modulo di compressibilit del materiale in esame la differente modalit con cui si tiene conto del determinante del gradiente di deformazione J in questo caso presente come argomento di un logaritmo
78. a posteriore si noti come parte del carico venga spostato sul gluteo e sulla parte posteriore della tuberosit ischiatica che viene in parte compressa come nel caso dell invasatura quadrilaterale con valori di pressione pari a 0 120 MPa in entrambe le aree Anche in questo caso nel resto del moncone la pressione distribuita uniformemente con valori compresi nel range 0 0 057 MPa L ultima invasatura TOM MOST presenta caratteristiche intermedie tra le precedenti con presenza anteriormente di una piccola area a maggior pressione massima 0 061 MPa e media 0 057 MPa nel distretto del triangolo femorale posteriormente di un piccolo appoggio ischiatico con la tuberosit che deve sopportare una compressione di 0 090 MPa medialmente dove l ischio viene contenuto nell invasatura di una pressione di 0 068 MPa ed a differenza di entrambe le altre lateralmente a circa met della lunghezza del moncone di un tratto sottoposto ad una pressione di 0 050 MPa Coerentemente con i risultati ottenuti grazie alla presenza di un numero maggiore di aree in cui il carico viene trasmesso dal moncone le pressioni sul resto dello stesso sono mediamente pi basse se confrontate con quelle ottenute per le altre invasature con valori compresi nel range 0 0 040 MPa Ci si sofferma infine a valutare un aspetto comune alle prime due invasature contrariamente a quanto ci si potesse attendere si ha assenza di una specifica area sottotrocanterica che agi
79. a problemi di ambito aerospaziale che trov applicazione anche al di fuori del campo di studio principalmente in quello civile grazie a Clough R W University Of California Berkeley la cui collaborazione con Turner M J nata in seguito alla partecipazione ad un Boeing Summer Faculty Program diede vita al documento Stiffness and Deflection Analysis of Complex Structures 8 considerato a tutti gli effetti come 2 L aeroelasticit lo studio della mutua interazione tra le forze inerziali elastiche e aerodinamiche agenti in un solido esposto ad una corrente fluida e dell influenza di tale studio sul progetto della struttura 67 63 momento di nascita del moderno FEM In seguito molti sviluppi vennero portati al metodo a partire dai lavori di Irons B M introduzione di elementi isoparametrici e di funzioni di forma e di Wilson E L il quale sviluppo il primo codice di calcolo FEM implementato in un software open source Parallelamente al FEM e sulla falsariga dello stesso sono stati sviluppati nel corso degli anni ulteriori metodi basati anch essi sulla risoluzione numerica di un modello approssimato metodo delle differenze finite metodo dei volumi finiti metodo degli elementi al contorno etc non riuscendo pero a togliere allo stesso la propria posizione dominante tra i software di analisi automatica presenti in commercio Nell ambito biomeccanico l utilizzo del FEM molto comune in quanto con questa me
80. a protesi problem score composta da 30 domande relative a problemi insorti a causa sia dell amputazione che dell uso della protesi ed il loro impatto sulla qualita della vita global score composta da 3 domande riguardanti la percezione del recupero delle funzionalita e delle limitazioni dovute alla protesi attualmente indossata e la percezione della situazione di salute generale attuale other questions solo dato descrittivo composto da 16 domande con le quali si cerca di descrivere sia dettagli relativi all utilizzo della protesi in alcune pratiche comuni di vita quotidiana guidare un automobile cucinare etc sia relativi alla riluttanza del paziente all utilizzo della protesi Il principio su cui si basa questa metodologia contemporaneamente molto interessante poich permette di descrivere la percezione del paziente molto importante considerando che lui stesso dovra indossare la protesi ed utilizzala durante la propria quotidianita e molto opinabile poich la percezione del paziente soprattutto se in una prima fase post amputazione potrebbe essere distorta con una soglia del dolore molto bassa dovuta anche ad una forma mentis indisposta all utilizzo del device Tra i punti a sfavore si possono citare studi moderni delle scienze sociali nei quali si sostiene che la mancanza di opinioni su tematiche complesse proposte come domande sulle quali plausibile che un certo numero di intervistati non abbia mai rifle
81. amo ischiatico piano sagittale RI T ramo ischiatico piano trasversale LD Laterale distale 134 In seguito si riportano le tabelle con 1 valori calcolati da FEBio per le invasature in esame negli stessi istanti che verranno utilizzati per il calcolo dell errore percentuale Rodin 4D TF AD PD G I LD 23 AMex 10 0 1068 0 0503 23 AMeu 10 0 1305 0 0615 63 AMpex 10 0 0101 0 0115 63 AMpex 10 0 0123 0 0140 33 AMara 10 0 0726 0 0516 33 AMava 10 0 0887 0 0631 Tabella A 5 valori di pressione MPa calcolati da FEBio per l invasatura Rodin 4D con valori dei momenti articolari 10 TF triangolo femorale AD anteriore distale PD posteriore distale G gluteo I ischio LD laterale distale Tom Most TF AD PD G I LD 23 AMexu 10 0 0759 0 0506 23 AMex 10 0 0927 0 0618 63 AMpex 10 0 0109 0 0141 63 AMpex 10 0 0133 0 0172 33 AMara 10 0 0291 0 0459 33 AMara 10 0 0356 0 0561 Tabella A 6 valori di pressione MPa calcolati da FEBio per l invasatura Tom Most con valori dei momenti articolari 10 TF triangolo femorale AD anteriore distale PD posteriore distale G gluteo I ischio LD laterale distale Quadrilaterale TF AD PD TI MP LD 23 AMex 10 0 0634 0 0449 23 AMa 10 0 0775 0 0549 63 AMytex 10 0 0118 0 0102 63 AMpex 10 0 0145 0 0125 33 AMara 10 0 0391 0 0338 33 AMara 10 0 0478 0 0
82. anno indotto il processo Osteosarcoma Figura 1 6 Osteosarcoma Questa grossa proliferazione cellulare scoordinata refrattaria ad ogni stimolo di controllo verificantesi a discapito dell omeostasi tissutale determinata da alterazioni del loro patrimonio genetico ed alla base di una vasta classe di malattie di carattere benigno tumori non cancerosi con bassa velocit di accrescimento dove le cellule malate tendono a rimanere limitate nell organo in cui si sta avendo proliferazione cellulare incontrollata o maligno tumori cancerosi con elevata velocit di accrescimento dove le cellule malate tendono a staccarsi e migrare dall organo di appartenenza attraverso il torrente circolatorio o linfatico aggredendo altri organi e generando un tumore secondario con presenza di metastasi Il rischio di amputazione si pu avere nell evoluzione di un quadro clinico che riguardi patologie tumorali primarie maligne fig 1 6 aggredenti il tessuto osseo es osteosarcoma sarcoma di Ewing osteocondroma o aggredenti i tessuti molli degli arti es STS 11 melanoma oppure nel caso di patologie tumorali secondarie es presenza di metastasi ossee ovvero patologie che deformino la struttura biologica tissutale togliendo ai gruppi articolari o ai segmenti corporei la capacit fisiologica di movimento secondo i propri gradi di libert o che deformino in modo irreparabile il segmento osseo stesso 1 3 4 Malformazioni congenite
83. arda la distribuzione annua delle tipologie di amputazione l incidenza maggiore per quelle di arto inferiore circa 12 000 dove il rapporto con quelle di arto superiore di circa 11 1 con prevalenza di transtibiali e di dita del piede rispettivamente 37 e 34 annuo delle operazioni eseguite 1 3 EZIOLOGIA Come prima discusso la valutazione strettamente numerica dei casi non permette di apprezzare la sostanziale differenza tra le varie cause correlate alla situazione socio politico economica del luogo di cui si stanno analizzando le statistiche non consentendo la realizzazione di uno studio approfondito e preciso del fenomeno Si andr ora perci ad effettuare una trattazione eziologica delle principali motivazioni rilevate dai dati storici che possano portare ad amputazione del paziente vascolopatie traumi neoplasie e malformazioni congenite in modo da avere un quadro quanto pi possibile completo e chiaro 1 3 1 Vascolopatie Con il termine di vascolopatie periferiche si indicano una serie di condizioni patologiche generiche caratterizzate dalla comparsa di alterazioni di tipo occlusivo trombico a livello del circolo linfatico o venoso Alla vascolopatia sono solitamente associate diverse patologie cronico degenerative sistemiche quali l insufficienza cardio vascolare una delle cause dell infarto il diabete causa di retinopatia diabetica neuropatia periferica e nefropatia diabetica e disturbi respiratori Tra
84. ari tipico del cammino con base allargata o ristretta per lo stesso individuo ma sulla base dei risultati si potuto stabilire un ordine qualitativo di sensitivit delle diverse tipologie di invasatura alle modifiche nell allineamento Infine variando il materiale dell elemento sensibile poliuretano e poli stirene butadiene stirene al posto del gel di silicone il software ha risolto il contatto in modo non appropriato mostrando molti artefatti che non hanno permesso di ritenere il modello valido n dal punto di vista quantitativo n da quello qualitativo VII ABSTRACT The amputation of a limb is still considered nowadays as a very tragic event for a person due to the fact that it entails a new conditions wherein the patient has to learn how to coexist with anatomical and functional limitation often seen as the end of his life and with huge consequences concerning patient s psychological situation and their social reintegration as well as the increase of social cost The loss of a lower limb with resection at femur level also known as transfemoral amputation is in particular one ofthe most crippling conditions because the effector or both in the most difficult situations with which the human body keeps the erect posture gets lost and it involves a lot of pathological series connected to this new irregular physical situation This work was born with the hope of giving to medical literature a new range of valid and significa
85. arit la minor larghezza in direzione antero posteriore e maggior in direzione medio laterale se paragonati ad un invasatura di tipo quadrilaterale aumentando la pressione sulla parte mediale dell ischio scaricando quindi il triangolo femorale al fine di recuperare stabilit durante il cammino e funzionalit muscolare inoltre nel documento sopra citato che viene descritta per la prima volta la Long s line fig 2 22 alla base della teoria da lui elaborata sull allineamento che verr discussa in seguito Sabolich e Guth dopo aver analizzato 1 risultati di Long introdussero il socket noto con l acronimo CAT CAM poi evoluto in SCAT CAM in cui si mantenevano le nuove proporzioni tra dimensione antero posteriore e medio laterale introdotte con il NSNA e quindi la tipica forma ovale se osservato sul piano frontale fig 2 21c includendo inoltre nel volume racchiuso dall invasatura la tuberosit ischiatica che da ora risulta non pi compressa nella sua parte inferiore La perdita della seduta ischiatica venne compensata introducendo tre nuovi punti di supporto fig 2 23 una componente di spinta S che agisce sulla parte mediale del complesso del ramo ischiatico diretta perpendicolarmente alla superficie stessa con verso laterale che 3 La Long s line una linea retta che con il paziente in posizione ortostatica unisce il centro della testa femorale al centro del tallone passando per l estremit distale d
86. assimo Pmaxapice dist 0 020 MPa inferiore rispetto al riferimento grazie alla scelta progettuale dell utilizzo di un fondo dell invasatura di area maggiore 116 5 3 6 3 Tom Most Vista frontale fig 5 24 presenza di distribuzione pi uniforme delle pressioni sull area del triangolo femorale con valore Pmax tri fem 0 116 MPa al 33 del ciclo del passo AP osic Mosttri fem 9 risultato che rappresenta un comportamento molto simile alla prima invasatura analizzata Durante la fase flessoria si ha un valore Pmax ant dis 0 019 MPa al 55 del ciclo del passo anche in questo caso rappresentante una condizione intermedia tra OSIC Carbone e Rodin 4D Vista posteriore fig 5 25 il carico sull area del gluteo inizia come nell invasatura Rodin 4D a presentarsi al 27 del ciclo del passo con un massimo al 33 Pmax tub_isch 0 039 MPa con comportamento pi simile anche in questo caso ad un invasatura definita come quadrilaterale a contenimento ischiatico Il valore massimo durante la fase flessoria Pmax glu 0 018 MPa L estremit distale del moncone subisce una compressione Pmax post dis 0 058 MPa anche in questo caso per verificare il comportamento dell invasatura si misurato il raggio di curvatura localmente rilevandolo inferiore rispetto a quello dell invasatura di riferimento Viste mediale e laterale fig 5 26 5 27 nell area del contenimento ischiatico i tessuti biologici vengono compressi con intensit
87. atico T 0 02 e Apicale Distale 0 01 o 0 e 0 10 20 30 40 50 60 70 PRESSIONE MPa CICLO DEL PASSO Figura 5 47 Pmedia in determinati istanti del ciclo del passo per alcune aree corporee MAS MAS Pmedia MPa Istante del ciclo del passo Triangolo Femorale F 0 120 27 Estremit Distale Ant F 0 022 55 Area Hamstrings F 0 017 55 Estremit Distale Post F 0 082 23 Ramo Ischiatico S 0 066 33 Ramo Ischiatico T 0 069 43 Estremita Distale Lat S 0 056 27 Apice Distale T 0 043 27 Tabella 5 5 valori di Pmedia ricavabili per l invasatura MAS in aree corporee di interesse ed in determinati istanti del ciclo del passo con piano di riferimento F Frontale S Sagittale T Trasversale 114 5 3 6 Analisi dei risultati Al fine di comprendere le eventuali scelte dei progettisti risulta utile iniziare l analisi dei risultati permettendo il confronto del comportamento delle tre invasature a contenimento ischiatico poich realizzate per lo stesso moncone e caratterizzate da scelte progettuali attese come mediamente similari con il modello realizzato da OSIC Carbone scelto come riferimento poich rappresentante i canoni del contenimento ischiatico puro come visto in precedenza ma in realt profondamente differenti In seguito si analizzeranno singolarmente le invasature quadrilaterale e MAS riconducendo 1 risultati di entrambe alla teoria non avendo modelli di confronto Al
88. ativamente a quanto osservato si pu concludere che vi sia una relazione tra 1 momenti articolari applicati e la posizione angolare dell arto sul piano frontale con questi ultimi che variano sostanzialmente una conferma a questa ipotesi si trova tra 1 risultati del lavoro Effect of alignment changes on socket reaction moments during gait in transfemoral and knee disarticulation prostheses Case series di Kobayashi T et al gli autori applicando il sistema di strain gauges Smart Pyramid in grado di dare come output il valore dei momenti ad un invasatura per amputati transfemorali omettendone la tipologia costruttiva hanno campionato e ricostruito la curva caratteristica dei momenti esterni per diverse condizioni di allineamento sui piani sagittale e frontale concludendo che se nel primo caso modifiche sostanziali nell assetto non causano variazioni notevoli nei momenti articolari nel secondo si ha invece un cambiamento importante delle curve con possibile inversione delle stesse Le considerazioni appena fatte portano alla conclusione che sebbene il modello presentato possa essere adatto a studiare l andamento delle pressioni sui tessuti biologici in diverse configurazioni di allineamento l assenza di dati quali la configurazione dell arto addotto oppure abdotto durante l acquisizione ed i momenti per differenti assetti di allineamento portano a non accettare 1 risultati ottenuti come rappresentanti di una situazio
89. causa di variazioni di parametri quali la percentuale di massa magra e grassa la condizione di idratazione la distribuzione di liquidi corporei la crescita dell amputato non adulto etc e la protesi Si crea quindi un legame indissolubile tra moncone e socket con cambiamenti nel primo che si riflettono sulle prestazioni del secondo e sul comfort del paziente e con necessit di revisioni periodiche al fine di verificare il mantenimento del corretto accoppiamento a tal proposito prima della costruzione del socket definitivo ne viene spesso fornito all amputato uno di prova previsto come prestazione a carico del Sistema Sanitario Nazionale in modo da valutare eventuali problematiche in via preventiva La realizzazione di un socket un lavoro a tutt oggi prettamente manuale basato sull esperienza del tecnico protesista che opera senza l ausilio di dati numerici ex ante per esempio 1 risultati di un analisi agli elementi finiti che permettano di trovare soluzioni accurate a problematiche ingegneristiche come ad esempio un eccesso di sforzi pressori o scorrimenti evitando la manifestazione patologica delle stesse es abrasioni piaghe da decubito etc La metodologia di lavoro tradizionale si articola nella seguente modalit rilievo delle misure antropometriche ovvero circonferenze e diametri del moncone preparazione del moncone tramite applicazione di un bendaggio tubolare in cotone al fine di mantenere in posizione
90. che non esiste un lavoro che riguardi l amputazione transfemorale e che prenda in considerazione questo elemento Questa scelta viene descritta in alcuni lavori come dettata dall esigenza di semplificare il modello per limitarne il costo computazionale La realizzazione del modello del socket ha seguito due strade dipendenti dal tipo di analisi necessaria in caso di necessit di analisi preliminare su una forma che fosse pi simile ad un invasatura reale rispetto ad un modello geometrico semplice realizzato tramite CG questo stato realizzato a partire dalla forma del moncone utilizzato digitalmente come uno stampo questo modello noto col nome di unrectified socket in caso di volont di analisi su una specifica tipologia di invaso es quadrilaterale CAT CAM NML PTB etc questo stato acquisito nella sua forma definitiva utilizzando il prodotto finito oppure modellato da un tecnico a partire da un unrectified socket 24 26 281 questo modello noto col nome di rectified socket La meshatura delle geometrie ultima fase di preparazione al pre processing del modello stata eseguita in tutti i lavori con elementi 3D tetraedrici per quanto riguarda i corpi deformabili e con elementi 2D triangolari per i corpi rigidi Il numero degli elementi complessivi del modello si mantenuto tra i 18 000 e le 360 000 unit con il numero in aumento nel corso degli anni grazie a sviluppi hardware e software in nessun lavoro
91. chiede la scelta del corpo rigido e delle superfici del corpo deformabile che risulteranno connesse ad esso Sliding Interface ovvero vincolo che consente a due superfici di scorrere senza la possibilit di compenetrarsi mutualmente secondo l algoritmo dei penalty di Laursen e Simol e presente nel software in cinque configurazioni differenti sliding with gaps sliding 2 sliding 3 facet on facet sliding tension compression La scelta si diretta verso SWG presente nel pre processor come node on facet poich a differenza di F2F S2 S3 sono utilizzabili per modelli multifasici mentre STC presenta la caratteristica di non permettere la separazione delle due superfici lungo la direzione normale implementa secondo quanto sostenuto dai programmatori il modello di attrito classico Figura 4 6 men di definizione del contatto Sliding Interface Per la definizione del contatto si rende per prima cosa necessaria la scelta di quale sia la master surface solitamente la superficie del rigid body o comunque quella con modulo di Young pi elevato e quale la slave surface sulla quale verranno calcolate le variabili di contatto Il vantaggio della Sliding Interface rispetto per esempio alla Tied Interface la possibilit di calcolare le variabili di contatto tra le superfici il parametro principale da inserire al fine di raggiungere il target consiste in un penalty che sia dipendente da geometrie caratteristiche della
92. componenti di energia cinetica e potenziale gravitazionale vengono trasformate Figura 2 10 protesi cinematica per arto superiore in energia potenziale elastica accumulata all interno dell elemento durante l appoggio a terra con generazione di una reazione d appoggio che sia in grado non solo di sostenere il peso corporeo ma che possa aiutare il disabile nella successiva fase propulsiva equazione 2 2 DE mecc tot AE AU 0 2 1 Ek swing Ug swing Vel stance 1 2 1 2 2 Yswing m g hswing 5 Kfoot Ax Felreaction i Kfoot Ax 2 2 Le scienze informatiche ed elettroniche prima citate hanno avuto una notevole importanza nello sviluppo delle protesi tecnologicamente pi avanzate l utilizzo dei microprocessori ha permesso di creare interfacce di comunicazione tra il moncone e la protesi permettendo una 21 sempre maggiore interattivita Un esempio con riferimento agli arti superiori sono le protesi a comando mioelettrico o elettronico elettromeccaniche attive ad energia extracorporea sulle quali sono posti dei sensori un controller e degli effettori elettromeccanici alimentati da accumulatori Il segnale elettromiografico campionato dagli elettrodi posti all interno dell invasatura viene amplificato filtrato e codificato dal controller in cui implementato un algoritmo producendo movimento nell arto Figura 2 11 piede policentrico a restituzione di energia Lo sviluppo di interfacce sempre p
93. corrono al volume del moncone e la loro distribuzione la presenza di cicatrici edemi dermatosi ulcere e abrasioni causate dal contatto con l invasatura o da altri fattori 40 vascolopatie pregresse creano delle difficolta indubbiamente oggettive allo svolgimento di una corretta valutazione clinica e tecnica che possa portare a realizzare un accoppiamento che sia funzionale al movimento della protesi e nei limiti del possibile non doloroso per il paziente Seppur sia noto che una trattazione del fenomeno con un metodo numerico non possa risolvere tutte le problematiche sopra descritte sicuramente la conoscenza ex ante della loro eventuale presenza e delle possibili modellizzazioni per esempio la presenza di cicatrici sul fondo del moncone causa di accumuli di sforzi pu aiutare se non a prevenirle o quantomeno ad accompagnarla nel corso della loro manifestazione fornendo al paziente tutti i supporti necessari Il tentativo con questo lavoro di utilizzare un approccio differente rispetto a quanto attualmente fatto nella pratica clinica modellizzando tutti gli elementi che partecipano al contatto tramite il metodo agli elementi finiti vorrebbe essere un primo step che in caso di risultati realistici e validabili andrebbe introdotto nel processo di realizzazione dell invasatura con l obiettivo di fornire un set di dati numerici facilmente interpretabili che possano essere affiancati all esperienza di che debba realizzarla
94. d accettare la sensazione di una maggiore pressione sui tessuti sopportando maggiormente il fastidio dovuto al contatto La risposta alla variazione dei parametri costitutivi del modello ha prodotto risultati consistenti in due casi mentre una delle prove non andata a buon fine Variando lo spessore dell elemento sensibile ed i momenti articolari del 10 si riusciti a ricavare una relazione lineare tra input ed output Viceversa variando il materiale dell elemento sensibile problemi riguardanti le limitazioni nella capacit di FEBio di calcolare la soluzione in determinate condizioni hanno prodotto delle mappe di colore piene di artefatti con aree in cui non vi era contatto nonostante fosse logico che vi fosse 1 valori numerici ottenuti non sono quindi interpretabili ed utilizzabili Una nota a parte va fatta per la variazione dell allineamento sebbene il risultato sia analiticamente valido e coerente alle variazioni geometriche imposte a causa dell assenza di reali valori dei momenti nel caso di disallineamento sul piano frontale da utilizzare per le simulazioni queste prove possono solo essere considerate come la ricerca di una scala di 130 sensitivita alla variazione di questo parametro per le cinque invasature in esame Volendo valutare i dati quantitativi si di fronte a due problematiche che concorrono a creare incertezza se non sull ordine di grandezza dei valori numerici quantomeno sulla precisione la p
95. d affinare quelle gi in uso per fare in modo che il momento oggi visto dal paziente come la fine possa diventare per lo stesso un nuovo inizio Uno studio nel 2003 dal Louisiana State University Health Sciences Center traccia a livello mondiale un quadro abbastanza preoccupante ogni anno si hanno in media nel mondo tra 200 e 300 000 000 di nuovi amputati con distribuzione fortemente spostata verso 1 Paesi del Terzo Mondo Il numero se confrontato con il tasso di crescita annuale della popolazione mondiale attualmente pari all 1 04 su una popolazione totale di 7 200 000 000 e quindi di 75 000 000 di abitanti all anno pu inquadrare nel modo corretto la gravit del problema Analizzando la questione dal punto di vista epidemiologico risulta utile distinguere i raccolti tra Primo Mondo con un particolare occhio agli Stati Uniti d America ed all Italia Secondo Mondo e Terzo Mondo In particolare per i paesi appartenenti alle aree pi povere ossia gli Stati del continente africano alcuni Stati del medio ed estremo oriente ed i Paesi balcanici le statistiche dicono che la maggior parte di individui che hanno perso un tratto pi o meno lungo di un segmento corporeo devono imputare la causa alla presenza attuale di conflitti sul territorio e se questi possono dichiararsi conclusi alla presenza di mine antiuomo inesplose Spostandosi nel Primo Mondo nonostante le cause siano totalmente differenti i numeri raccontano una situazione a
96. d contact linea continua Con Putilizzo dei gap elements la forma deformata non riflette accuratamente i cambiamenti nella geometria del contatto 55 Figura 3 8 a verifica della compenetrazione iniziale tra moncone ed invasatural b posizione relativa delle geometrie ad inizio simulazione iii 56 Figura 3 9 configurazione di prova per la misura dello scorrimento relativo tra moncone e Poesie cc lele 59 Figura 3 10 a esempio di trasduttore inserito attraverso l invasatura b Tekscan F Socket 61 CAPITOLO 4 Figura 4 1 color map delle pressioni di contatto tra testa femorale ed acetabolo durante il cammino ieee ah sect ciel etl tees oh a ai aia 65 Figura 4 2 algoritmo di realizzazione ed analisi di un socket senza e con l utilizzo del FEM 66 Figura 4 3 tipologie di elementi 3D supportati da FEBIO ii 68 Figura 4 4 tipologie di elementi 2D supportati da FEBIO cara nrnonccnnnan no 70 Figura 4 5 tipologie di contatti utilizzati nei modelli in esame ii 70 Figura 4 6 menu di definizione del contatto Sliding Interface i 71 Figura 4 7 GUI del post processor PostView cccsccsccesessseeseesecceeseesececeeseeecaecaeeeeceaeeeeeeeeseenaeenees 74 Figura 4 8 modello digitale di invasatura IC Tom MOSt 75 Figura 4 9 modello digitale di invasatura IC Rodin 4D ii 75 Figura 4 10 modello digitale
97. d in determinati istanti del ciclo del passo con piano di riferimento F Frontale S Sagittale T Trasversale ii 105 Tabella 5 3 valori di Pmedia ricavabili per l invasatura IC Tom Most in aree corporee di interesse ed in determinati istanti del ciclo del passo con piano di riferimento F Frontale S Sapittale I trasversalo car relief iaia 108 Tabella 5 4 valori di Pmedia ricavabili per l invasatura Quadrilaterale in aree corporee di interesse ed in determinati istanti del ciclo del passo con piano di riferimento F Frontale S Sagittale T rasenta 111 Tabella 5 5 valori di Pmedia ricavabili per l invasatura MAS in aree corporee di interesse ed in determinati istanti del ciclo del passo con piano di riferimento F Frontale S Sagittale Pras Vets ale selena laica O O A Na 114 Tabella 5 6 Pmedia al 27 del ciclo del passo per determinate aree corporee in dipendenza dallo spessore dell elemento sensibile 3 e 9 mm con piano di riferimento F Frontale o Rape a oot Reni se ony a en ene ep at 121 Tabella 5 7 valori di pressione di contatto MPa calcolati durante la simulazione per incrementi decrementi di momenti articolari pari al 10 invasatura IC OSIC Carbone TF triangolo femorale AD anteriore distale PD posteriore distale G gluteo l ischio LD laterale did a 124 125 Tabella 5 8 errore percentuale medio deviazione standard dell errore percentuale e tipo di errore sottostima sovrastima per
98. d una distribuzione uniforme degli sforzi pressori e tangenziali all interfaccia creando una condizione ottimale per l arto poich allontana l insorgenza di patologie dermatologiche e vascolari Durante lo svolgimento di questo lavoro sono state effettuate diverse interviste su amputati transfemorali ed il quadro emerso poco confortate dal momento che si scoperto che il 129 liner spesso non viene utilizzato poich non consigliato dal centro protesico di riferimento oppure proposto a prezzi molto elevati con il risultato che il paziente pone la pelle direttamente a contatto con l invasatura esponendo il moncone a danni che con il tempo possono rendere molto doloroso il contatto sensibilizzando alcune aree con il valore della soglia al dolore che decade drasticamente Inoltre si segnala che a livello statale si in presenza di un vero e proprio vuoto normativo sfogliando il Nomenclatore Tariffario alla ricerca della cuffia si pu notare come questa non sia prevista per amputazioni transfemorali ma solo per amputazioni transtibiali o disarticolazioni di ginocchio sostituita per questo tipo di amputazione da un rivestimento totale con appoggio terminale in silicone cod ISO 06 24 21 340 o dal semplice appoggio terminale in silicone cod ISO 06 24 21 343 Sarebbe auspicabile un intervento legislativo sul Nomenclatore aggiornato per l ultima volta nel 1999 in modo da permettere l utilizzo della cuffia come di molte altr
99. ddamento questa caratteristica permette al materiale di raggiungere deformazioni fino al 200 mantenendosi all interno dell intervallo di elasticit 2 6 I SISTEMI DI SOSPENSIONE I sistemi di sospensione hanno la funzione come il nome stesso suggerisce di mantenere il moncone ben posizionato all interno dell invasatura evitando un eccesso di scorrimento relativo alla base del fenomeno del pistoning questa problematica praticamente inevitabile fino alla Ila Guerra Mondiale quando l unico sistema di sospensione era rappresentato dalle cinture di ancoraggio si manifesta con un movimento verticale del moncone che durante la fase di swing tende a scorrere verso l alto e ad uscire dalla protesi e durante quella di stance a scorrere verso il basso battendo sul fondo e replicando quindi il moto di un pistone all interno di un cilindro Il fenomeno noto come causa di edemi nella zona distale del moncone ed abrasioni nelle aree di contatto oltre ad una perdita di controllo della protesi a causa del lag temporale che si crea tra il movimento del device rispetto all arto residuo per lo scorrimento relativo L elemento fondamentale per la realizzazione di un sistema di sospensione la cuffia descritta nel paragrafo precedente che grazie all accoppiamento con le pareti dell invasatura in grado di assorbire una parte delle forze taglianti di attrito a cui si va ad aggiungere un sistema tra i seguenti cintura di sospensi
100. ddette superfici i movimenti senza n soluzione di continuit n scorrimenti relativi Rigid Joint applicato tra 1 due corpi rigidi presenti nel modello ovvero femore e bacino per rappresentare biomeccanicamente l articolazione coxofemorale Sliding Interface applicata tra la superficie esterna della cuffia e la superficie interna del moncone nonostante l assenza del modello di attrito questo tipo di vincolo viene utilizzato come nel caso della simulazione della calzata precedentemente descritta perch permette lo scorrimento relativo con il calcolo delle pressioni di contatto I parametri del contatto sono stati lasciati al valore iniziale proposto dal software con l eccezione dell attivazione dell auto penalty e del settaggio del valore di penalty che in questo caso assume il significato di moltiplicatore per il valore di penalty calcolato dal software fissato ad 1 67 in 81 seguito a prove iterative di affinatura per evitare compenetrazione tra le superfici Per quanto riguarda la condizione di carico in seguito ad esecuzione di alcuni test con applicazione di un carico verticale di 50 N verso il basso al modello anatomico tramite il bacino si optato come detto in precedenza a causa di difficolt nella ricerca della soluzione da parte di FEBio in presenza di controllo di forza e sliding interface per il controllo di spostamento utilizzando il bacino come effettore di uno spostamento verticale verso il bass
101. di energia La presenza di strutture 25 elastiche come gia accennato nel precedente paragrafo si rivedano le equazioni 2 1 2 2 e la fig 2 11 con la conformazione di molle a balestra prevalentemente costruite in materiali compositi restituiscono durante la fase di spinta l energia accumulata sotto forma di energia potenziale elastica durante la fase di carico donando un cammino pi simmetrico che va a ridurre la traumaticit dell impatto sul tallone controlaterale Figura 2 15 piedi sportivi utilizzati da atleti paralimpici cat T43 Nella della categoria dei piedi protesici a restituzione di energia rientrano anche i piedi sportivi fig 2 15 che permettono insieme al resto della protesi opportunamente studiata e progettata per l attivit sportiva all atleta disabile il raggiungimento di una performance cronometricamente paragonabile a quella degli atleti normodotati Un confronto lampante si pu avere osservando i vari record del mondo realizzati sulle piste outdoor di atletica leggera tab 2 1 le differenze tra i tempi sono a pari distanza in un intervallo compreso tra il 5 ed il 10 questo deve far pensare ai passi da gigante fatti dalla ricerca in questo ambito Tempo Velocit Media Distanza Atleta Categoria sec km h 100 m U Bolt JAM Normodotato 9 58 37 6 100 m O Pistorius SAF B Leeper USA T43 10 91 33 0 200 m U Bolt JAM Normodotato 19 19 37 5 200 m O Pi
102. di invasatura IC OSIC Carbone i 76 Figura 4 11 menu di scelta in cui possibile vedere alcuni dei modelli costitutivi presenti in O ROERO IE 77 Figura 4 12 parametri necessari per la definizione di un Rigid Body in FEBIO cccceseeseeeseeeees 78 Figura 4 13 configurazione del modello per la prova di compressione simulata 79 Figura 4 14 assembly del modello realizzato per l analisi della calzata del socket 81 Figura 4 15 modello digitale di invasatura quadrilaterale see 82 Figura 4 16 modello digitale di invasatura MAS ii 83 Figura 4 17 assembly del modello realizzato per l analisi del contatto durante il cammino 84 Figura 4 18 men di definizione del contatto Tied Interface in 86 Figura 4 19 grafici elaborati sui dati acquisiti con gait analysis di un paziente con amputazione tr nsfemorale cestello label aaa 87 Figura 4 20 fasi della realizzazione ed acquisizione del modello dell invasatura a contenimento A cerniera ioni ate 92 Figura 4 21 modello cilindrico lla 93 CAPITOLO 5 Figura 5 1 volume relativo in funzione del tempo per diversi valori del rapporto Kfebio C1 95 Figura 5 2 caratteristica meccanica del tessuto biologico per diversi valori del rapporto K febio C 1 ssescesossoscososscecosossoecessesoccoososseesossesocsossosoesesoesosoosoesessoccosossocc
103. duttori adduttori che sul piano trasverso extrarotatori intrarotatori la scelta di contenere le ossa del bacino tra le pareti mediale ramo ischiatico laterale trocantere e posteriore tuberosita ischiatica creando quindi un bony lock blocco osseo va a favore del mantenimento la stabilita su entrambi i piani evitando 1 fastidiosi accumuli di sforzi pressori nella zona perineale Si permette in questo modo all amputato il recupero di un cammino molto pi funzionale con una notevole diminuzione delle manifestazioni di segni patologici come ad esempio il Trendelenburg tipici del socket quadrilaterale Inoltre il miglior controllo fornito da questo tipo di invasatura permette inoltre un minor consumo energetico da parte del paziente quantificabile in circa il 20 Il socket MAS fig 2 24 nasce nel 2002 ad opera dell ingegnere messicano Marlo Ortiz Vazquez Del Mercado come sviluppo del tipo a contenimento ischiatico Ortiz scopri la possibilita di abbassare il lato posteriore dell invasatura tagliandolo al di sotto della plica glutea mantenendo la stabilita dal punto di vista biomeccanico e migliorando diversi aspetti tra cui la propriocezione diminuzione della sensazione di essere avvolti da un materiale non appartenente al corpo umano e quindi pi consapevolezza del gesto che si va a compiere il comfort in posizione seduta il paziente ora in grado di sedersi sulla muscolatura della regione glutea e non pi sul profi
104. e quest ultimo sia coerente con il modello teorico 97 5 2 MODELLIZZAZIONE DELLA CALZATA DEL SOCKET osic xpit osic xpit osic xpit osic xpit E sg pirata Time 14 96 g Figura 5 5 pressioni di contatto a fine procedura di calzata IC OSIC contact pressure contact pressure Time 14 06 Time 14 96 contact pressure Tine 14 98 z le z bue z bl rodin xpit rodin xpit rodin xpit rodin xpit contact pressure Time 14 74 contact pressure Time 14 74 contact pressure Time 14 74 contact pressure Time 14 74 z ls z la si t Figura 5 6 pressioni di contatto a fine procedura di calzata IC Rodin 4D TomMost xpit TomMost xpit TomMost xpit TomMost xpit sontact pressure contact pressure Time 14 81 Time 14 81 z g lea a La y Figura 5 7 pressioni di contatto a fine procedura di calzata IC Tom Most contact pressure contact pressure Time 14 91 Time 14 91 z sd 5 2 1 Analisi dei risultati Osservando le fig 5 5 5 7 ci si rende conto come con la simulazione della calzata si siano potuti ottenere risultati tramite i quali realizzare una caratterizzazione delle tre invasature a 98 contenimento ischiatico valutandone le differenze di comportamento in una condizione simile alla postura ortostatica La prima invasatura OSIC Carbone rappresenta il canone del contenimento ischiatico CAT CAM questa affermazione ver
105. e che sar oggetto di valutazione nel capitolo successivo Si pone una nota a margine sul fatto che generalmente i software di modellizzazione ed analisi agli elementi finiti non contengono pre impostazioni sulle unit di misura per i parametri imposti che quindi devono essere inseriti con coerenza riguardo agli ordini di grandezza per questo lavoro di tesi si scelto di utilizzare le unit riscontrabili in tabella 4 1 coerenti con il Sistema Internazionale Lunghezza Forza Massa Tempo Sforzo Densit Unit S I Mm N kg s MPa kg mm Tabella 4 1 unit di misura utilizzate per l implementazione del modello 4 2 1 Pre processing Questa fase molto delicata e complessa in quanto la scelta di impostazioni corrette piuttosto che errate per le varie opzioni che presenta il software pu portare una simulazione ad una convergenza piuttosto che ad un fail e merita quindi di essere analizzata nel dettaglio Si andranno ora presentare le possibilit operative riguardo alle tipologie di mesh supportate di condizioni di vincolo di contatto e di carico impostabili che saranno in seguito applicate ai vari modelli 67 Il pre processor Pre View dotato di GUI da la possibilit di creare parti composte da forme geometriche elementari es piani cubi coni cilindri tubi etc e successivamente di assegnare loro una mesh oppure di importare un file con una geometria che abbia gi subito un operazione di meshatura superfic
106. e del modulo di compressibilit del materiale Imponendo i seguenti valori per i tre parametri costitutivi 4 Cio 4 25 kPa Cy 0 kPa D 2 36 MPa Uno degli aspetti positivi di questo modello la possibilit di analisi dello sforzo tangenziale derivante dal posizionamento con scorrimento del moncone all interno del socket a discapito di un costo computazionale molto pi elevato nel confronto ad un approccio alle piccole deformazioni Inoltre sono state introdotte due forti astrazioni della realt la velocit con cui un paziente calza l invasatura sicuramente molto pi elevata dei 6 9 imposti ed inoltre lo spostamento in questo caso imposto al socket creando una condizione biomeccanicamente non reale I risultati ottenuti presentano 1 seguenti valori di sforzi pressori e tangenziali massimi Pnax 5 6 kPa Tmax circ 0 93 kPa Tmax long 2 0 kPa Nella valutazione dei risultati ottenuti va considerata l approssimazione introdotta nella forma delle geometrie con la sola modellizzazione del tratto distale del moncone escludendo di fatto dall analisi la zona trocanterica ed ischiatica L aver escluso la zona ischiatica in particolare rende difficile la lettura del dato numerico poich questa ha una grande importanza nel contatto con il moncone per tutte le tipologie di invasatura 3 2 IL METODO SPERIMENTALE Scorrendo la letteratura scientifica si nota immediatamente anche per questa tipologia operat
107. e di estrapolare i seguenti dati sperimentali per il tratto lineare E sper 0 0396 MPa Ex sper 0 0796 MPa In entrambi i casi si proceduto a calcolare un coefficiente di rapporto tra i moduli di Young reale e sperimentale Ei sper _ 0 0398 1 327 E 0 03 Ex sper 0 0796 AA 1 327 Es 0 06 A questo punto si calcolato per verifica lo stesso coefficiente ottenibile dalla prova di compressione del provino a cui stato assegnato il legame costitutivo di Mooney Rivlin ottenendo il seguente risultato Eur _ 0 0398 7 1 327 E 0 03 Alla luce dei risultati ottenuti possibile pensare che nel caso degli sforzi e delle deformazioni il software probabilmente a causa di errori nel codice sorgente dia risultati differenti dalla realt seppur scalabili grazie al coefficiente appena trovato poich ricorrente in differenti prove Infine alla luce delle discrepanze tra modelli teorici e reali emerse durante lo svolgimento del lavoro si proceduto a verificare la coerenza del valore di pressione di contatto data l importanza del dato numerico per la valutazione dei vari contatti in esame prendendo come riferimento la superficie superiore del provino di dimensione 100 x 100 mm Sprovino 100 mm 104 mm Fcontatto 10 N dato ottenuto da PostView Fcontatt 10 N Preorica 107 MPa Sprovino 10 mm Dal confronto con il valore leggibile in fig 5 4 107 MPa si pu concludere ch
108. e di popolazione di et compresa tra i 61 ed 170 anni si ha una percentuale pari al 76 del totale degli amputati di arto inferiore e quindi molto maggiore rispetto al 54 americano citato in precedenza e probabilmente dovuto ad un et media della popolazione italiana superiore di 5 anni che seppur in presenza tasso di obesit molto inferiore 16 contro 25 sposta la problematica verso l insorgenza di patologie croniche Per contro la causa traumatica 21 in cui preponderante la presenza di individui nella fascia 21 30 anni presenta una percentuale che calata nel corso degli anni in seguito all introduzione con il D L n 151 del 27 giugno 2003 della c d Patente a punti si avuto in indubbio beneficio con il numero di incidenti stradali con morti e feriti che si ridotto drasticamente La sostituzione di un arto inferiore con una protesi nello specifico una transfemorale un operazione molto complessa poich ci si trova a dover surrogare la funzione di due articolazioni molto importanti ovvero la tibio tarsica ed il ginocchio Da questo punto di vista la ricerca tecnologica ha fatto passi da gigante sia grazie ad evoluzioni delle scienze elettroniche ed informatiche con l utilizzo dei circuiti integrati che dialogano con sensori posti sulla protesi in modo da riprodurre tramite attuatori un movimento fisiologico per l arto sia della scienza dei materiali utilizzo di materiali compositi come la fibra di carbonio
109. e il precarico causato dalla calzata del socket 3 1 1 Le geometrie La rilevazione delle geometrie una fase molto importante del problema in quanto se non fedeli alla realta osservata faranno produrre al risolutore risultati non validabili anche se formalmente corretti dal punto di vista analitico Le geometrie di cui si necessita sono le seguenti forma esterna del moncone forma delle ossa e piatto tibiale tibia perone amputazione transtibiale e femore bacino amputazione transfemorale cuffia o liner invasatura I metodi utilizzati negli studi rinvenibili in letteratura sono i seguenti Tecniche di imaging USP xR Tecniche di imaging avanzato CTI 22 33 30 39 41 46 MRIS 30 31 Tecniche che comportano l acquisizione tramite sistema a scansione laser di uno stampo negativo ricavato dal monconel Tecniche di acquisizione tramite misurazioni con strumenti meccanici 87 Tecniche di computer graphics con realizzazione di modelli ideali utilizzando forme geometriche semplici approssimanti la geometria reale 381 Di queste le tecniche di imaging avanzato MRI e CT sono in grado di rilevare con una ottima risoluzione non solo la forma esterna ma anche i tessuti molli ed i segmenti ossei in seguito all acquisizione tramite questi metodi possibile ricostruire le forme anatomiche discriminando le varie strutture interne tramite tecniche di segmentazione operanti con algoritmi manuali sem
110. e percentuale sicuramente molto basso sia in media che in deviazione standard e sulla base dello stesso realistico utilizzare perlomeno in una fase preliminare il modello lineare proposto con la formula 5 2 come predittore per valori di pressione anche per le altre invasature in caso di cambiamenti nei valori dei momenti articolari 5 7 SENSITIVITA DEL MODELLO A VARIAZIONI DELL ALLINEAMENTO 33 Posizione IC OSIC IC Rodin 4D IC TOM MOST QUAD MAS 6 Addotto 0 0687 0 0677 0 0547 0 0420 0 0511 3 Addotto 0 0669 0 0631 0 0520 0 0410 0 0508 Neutro 0 0644 0 0580 0 0500 0 0386 0 0505 3 Abdotto 0 0616 0 0541 0 0480 0 0360 0 0503 6 Abdotto 0 0584 0 0494 0 0450 0 0340 0 0500 66 Posizione IC OSIC IC Rodin 4D IC TOM MOST QUAD MAS 6 Addotto 0 0041 0 0113 0 0109 0 0073 0 0103 3 Addotto 0 0037 0 0099 0 0099 0 0067 0 0102 Neutro 0 0035 0 0087 0 0090 0 0061 0 0101 3 Abdotto 0 0032 0 0076 0 0081 0 0056 0 0100 6 Abdotto 0 0028 0 0065 0 0072 0 0051 0 0099 Tabella 5 9 pressione d interfaccia MPa all estremit laterale distale per diverse condizioni di allineamento delle invasature in esame al 33 e 63 del ciclo del passo 126 33 DEL CICLO DEL PASSO 0 08 0 07 uc rr e E __ o e o 0 0 03 0 02 0 01 0 9 6 3 0 3 6 9 ADDUCTION ABDUCTION PRESSIONE MPa IC OSIC e IC RODIN4D IC TOM MOST QUAD e MAS Figura 5 56 pressione di i
111. el carico viene supportata grazie a sforzi pressori La scelta del software fatta ad inizio lavoro si basata sulle promesse del development team di quello che FEBio nel corso dello sviluppo avrebbe potuto fare Le nuove versioni sono state per presentate ad un ritmo molto lento e molti dei problemi presenti nella versione 1 2 0 sono tutt ora presenti nella 2 2 6 Si segnala inoltre che nel corso dei vari aggiornamenti sono sorte ulteriori complicazioni stato fatto un tentativo di analisi di alcuni dei files sorgenti in particolare quelli relativi all implementazione dello sliding contact trovando errori grossolani in alcune righe del codice prontamente segnalati agli sviluppatori con garanzia di pronta soluzione da parte degli stessi in realt non ancora rispettate Lo sviluppo pi logico da effettuarsi in lavori successivi sulla base dei risultati ottenuti quindi realizzare modelli analoghi a quelli che si possono trovare in questo lavoro utilizzando un ambiente software differente che permetta di superare tutte le limitazioni introdotte da quello utilizzato La seconda problematica riguarda la necessit di validazione tramite procedimento sperimentale dei risultati ottenuti ricercando nella letteratura possibile trovare un range molto ampio di risultati ottenuti da prove effettuate in condizioni molto differenti le une dalle altre Diventa difficoltoso ritrovare punti di contatto che 131 permettano di garantire che gli
112. el femore residuo la direzione di questa linea non sempre verticale ma varia durante il cammino 4 Contoured Adducted Trochanteric Controlled Alignment Method 5 Skeletal Contoured Adducted Trochanteric Controlled Alignment Method 33 seduta ischiatica bisecata dalla Long s line con la quale forma un angolo retto femore distale intersecato dalla Long s line ginocchio perpendicolare alla Long s line traslato lateralmente per prevenire il contatto con quello controlaterale Long s line Figura 2 22 a schematizzazione della Long s line su un illustrazione di una protesi b applicazione della linea al fine di verificare l allineamento durante la realizzazione di una protesi genera una pressione P una componente di spinta Sz che agisce sull area subtrocanterica diretta perpendicolarmente alla superficie stessa con verso mediale che genera una pressione P3 una componente di pressione quasi idrostatica dovuta ad una distribuzione uniforme del carico che agisce sui tessuti molli con particolare enfasi sulla zona dei glutei Uno dei principali vantaggi di questa tipologia di invasatura nasce dal fatto che la muscolatura flesso estensoria dell anca grazie all aumentata dimensione antero posteriore come gi osservato da Long in grado di accoglierla senza comprimerla come nel caso del socket quadrilaterale mantiene una buona vascolarizzazione i vasi non vengono deformati dall
113. elocit compresa tra 6 spazio La condizione di contatto imposta stata di tipo general surface to surface attraverso la quale le due superfici master socket e slave moncone sono libere di scorrere una sull altra senza potersi compenetrare Il valore del coefficiente d attrito imposto stato pari a 0 415 Displacement boundary condition over the socket Initial Overclosure Figura 3 8 a verifica della compenetrazione iniziale tra moncone ed invasatura b posizione relativa delle geometrie ad inizio simulazione Il modello costitutivo scelto per la geometria del moncone quello iperelastico di Mooney Rivlin tenendo cos conto di non linearit di cui nota la funzione densit di energia di deformazione utilizzata dal software W Cio 3 G1 3 2 947 U 1 G5 11 Il modello di Mooney Rivlin definito in meccanica dei solidi come combinazione lineare del primo e secondo invariante del tensore sinistro delle deformazioni tensore di Cauchy Green La variante di questa definizione rispetto alla classica consiste nell aggiunta di un termine che tenga conto del modulo di comprimibilit del materiale 56 L 24 1 2 3 6 I 77 45 13 3 7 J A 42 43 3 8 dove I invarianti principali delle componenti del tensore sinistro di Cauchy Green J determinante del tensore del gradiente di deformazione A allungamento stretch deviatorico D parametro legato al valor
114. ensione T che generi un momento M e conseguentemente T gt W E 2 5 sw Figura 2 20 equilibrio in direzione medio laterale per un socket quadrilaterale piano frontale Quanto sopra descritto sarebbe valido a patto che il moncone si trovasse perfettamente a contatto con la parete laterale del socket oppure il momento M causerebbe un movimento di abduzione del femore cosa che abitualmente avviene a causa sia della grande ampiezza in dimensione medio laterale dell invasatura stessa sia del deficit degli adduttori dell anca quantificabile in una diminuzione di forza pari a circa il 70 per perdita delle inserzioni tendinee in seguito all intervento di amputazione spingendo la sola estremit distale del moncone ad appoggiarsi alla parete laterale causando la tipica posizione a femore abdotto sopra descritta Quando la stessa situazione si presenta durante il cammino dove forze e momenti in gioco sono molto maggiori rispetto alla fase di standing a quanto sopra descritto va aggiunto il fatto che il movimento di abduzione del femore causa una traslazione del bacino in direzione mediale con un forte aumento degli sforzi sui tessuti dell area perineale e laterale distale del moncone l amputato di conseguenza adotterebbe il pattern di cammino con forte segno di Trendelenburg per compensare l eccesso di sforzi pressori e tangenziali causato sui tessuti da questa condizione anomala Una soluzione comunemente utilizzata pe
115. enti caratteristiche E 0 026 0 200 MPa v 0 45 0 499 I valori del modulo di Young provengono dal risultato di prove non invasive di caratterizzazione meccanica effettuate sul moncone del paziente o da prove di indentazione legate al seguente modello matematico ottenuto sperimentalmente da Sokoloff valido per una prova eseguita con indentatore cilindrico a superficie piana 48 p E 2 667 a w 3 1 dove p carico applicato sull indentatore Wo profondit di indentazione a raggio dell indentatore in seguito corretta da Hayes et al per tenere in considerazione lo spessore finito del provino 1 42 ds EOS a 2 a wo k v dove p carico applicato sull indentatore wo profondit di indentazione a raggio dell indentatore v coefficiente di Poisson considerato pari a 0 5 materiale incomprimibile h spessore del provino k fattore ottenuto sperimentalmente e dipendente dal rapporto e da v Analizzando i valori prima riportati si pu notare per il modulo di Young un ampia variabilit che concorre a creare incertezza sulla confrontabilit dei risultati tra diversi lavori sebbene ci si possa attendere che diversi monconi presentino caratteristiche meccaniche completamente differenti ci si aspetta altres che i campioni scelti per gli studi facciano parte della mediana della popolazione amputata Sulla base di questa affermazione i risultati trovati perm
116. enza di urti durante i quali il moncone cederebbe l energia cinetica e potenziale tramite il proprio apice distale il valore di sforzo rilevabile sui tessuti biologici sia basso se confrontato alla soglia del dolore se effettivamente venissero verificati gli effetti benefici di questa scelta per il pompaggio linfatico e per la circolazione nel moncone questa scelta sarebbe ideale per il paziente ovviamente a patto di avere l apice distale del moncone adeguatamente ricoperto da tessuti molli 5 3 6 2 Rodin 4D Vista frontale fig 5 16 a differenza dell invasatura realizzata da OSIC Carbone in questo caso si ha assenza di aree sagomate si pu notare come questa scelta progettuale comporti un aumento dei valori di pressione sul triangolo femorale che raggiunge in questo caso il valore Pmax tri fem 0 152 MPa in corrispondenza del 33 del ciclo del passo con AP osic Rodin tri_fem 43 4 Durante la fase flessoria dell arto la pressione sull estremit distale anteriore raggiunge il valore Pmax dist_ant 0 024 MPa AP 0sic Rodin dist_ant 33 3 Vista posteriore fig 5 17 la ricerca di una motivazione che potesse spiegare la distribuzione di pressioni osservabile nell area distale posteriore Pmax dist ant 0 057 MPa con intensit si presenta inferiore rispetto all invasatura di riferimento ha portato a confrontare tramite il software Rhinoceros V5 SR6 sezioni successive sul piano trasversale di entrambe osservando un raggio
117. er il socket di prova ed in seguito il definitivo I vantaggi di questa metodologia operativa sono molteplici si pensi ad esempio al tempo risparmiato durante la fase progettuale oppure alla possibilit di eseguire eventuali correzioni al socket di prova riutilizzando il modello tridimensionale acquisito senza la necessit di formare un nuovo negativo in gesso Lo svantaggio principale la richiesta di un investimento iniziale molto elevato per l acquisto della software suite e delle macchine utensili necessarie che rende l acquisto vantaggioso se i volumi di produzione siano elevati in modo da ammortizzare la spesa sostenuta Le tipologie di socket per protesi transfemorali presenti attualmente sul mercato possono essere distinte in tre macrofamiglie quadrilaterale a contenimento ischiatico M A S Marlo Anatomical Socket 28 Il socket quadrilaterale fig 2 16 sviluppato dall Universit della California Berkeley alla fine degli anni 40 prende il suo nome dalla figura piana che si otterrebbe sezionando il dispositivo sul piano trasverso a livello della tuberosit ischiatica e presenta quindi quattro ANTERIOR LATERAL POSTERIOR Figura 2 16 socket quadrilaterale si noti lo spot dove si ha l area di contatto della tuberosit ischiatica pareti distinte di interfaccia con il moncone con funzioni specifiche sia di stabilizzazione dello stesso sia di contenimento della muscolatura La funzione pr
118. essere sommate alle particolarit di ogni invasatura trovata in precedenza I valori massimi sono nell ordine di VI 0 1 MPa sul triangolo femorale 0 05 MPa nell area dell ischio 0 06 MPa nell area posteriore distale 0 06 MPa nell area laterale distale e 0 05 MPa sull apice distale queste intensit si collocano nella media di quanto trovato dagli autori presenti in letteratura anche se va considerato che in assenza del modello di attrito i valori sono sicuramente sovrastimati Riguardo alle invasature quadrilaterale e MAS i dati trovati per le pressioni permettono solo di caratterizzare le aree pi critiche su cui operare per migliorare il comfort del paziente potendo fare poche considerazioni sull ordine di grandezza dei dati numerici in assenza di elementi di confronto non si ha disponibilit di altre invasature quadrilaterali o MAS e soprattutto la letteratura lacunosa riguardo a lavori su queste tipologie I modelli in cui si sono modificati i parametri di input hanno fornito buoni risultati nel caso di variazione dello spessore del materiale sensibile e variazione nei massimi momenti articolari ed in entrambi i casi stato possibile ricavare una relazione lineare e dei coefficienti di sensitivit che legassero 1 risultati di questi modelli a quelli del principale Nel caso della modifica dell allineamento la relazione non stata ricavata poich non si aveva a disposizione un pattern di momenti e carichi articol
119. essuti molli mentre quello pi esterno l invaso b ogni interface element consiste in 8 nodi dall 1 al 4 si trovano sulla superficie interna della cuffia mentre dal 5 all 8 sono sulla pelle dell arto quando la pelle va a contatto con la cuffia lo spessore degli elementi di interfaccia tende a zero SI Figura 3 2 a geometria bidimensionale per il modello proposto da Zhang et al P b interface elements utilizzati per la definizione del contatto tra moncone ed invasatura SI Figura 3 3 pressione massima e media sforzi di taglio massimi e medi in funzione del coefficiente dae liana O 52 Figura 3 4 percentuale di carico verticale supportato dalla pressione e percentuale sopportata dagli sforzi di taglio si noti il limite inferiore per il coefficiente di attrito pari a 0 3 in cui cambia la caratteristica del supporto iii 52 Figura 3 5 scorrimento relativo medio e massimo all interfaccia uiin 53 Figura 3 6 alcuni modelli FEM sia AK che BK presentati nell ultimo ventennio 54 Figura 3 7 limitazioni dei gap elements in presenza di grandi deformazioni a modello bidimensionale di un oggetto rigido l invasatura a contatto con un oggetto deformabile nell immagine il Residuum b forma deformata del Residuum in seguito a traslazione verticale del socket quando modellato con gap elements linea XVII tratteggiata e con automate
120. eterminati istanti del ciclo del passo per alcune aree corporee Quadrilaterale 110 PRESSIONE DI CONTATTO MEDIA PIANO SAGITTALE e e Mediale Prossimale ds Se ATA o A e Laterale Distale 0 01 N o o 0 o 0 10 20 30 40 50 60 70 PRESSIONE MPa CICLO DEL PASSO Figura 5 38 Pmedia in determinati istanti del ciclo del passo per alcune aree corporee Quadrilaterale PRESSIONE DI CONTATTO MEDIA PIANO TRASVERSALE 0 045 0 04 e e 0 035 Z NE e 35225 0 03 z 0 025 o 0 02 Tuberosita Ischiatica 0 015 e Apicale Distale 0 01 N e 0 005 d 0 0 10 20 30 40 50 60 70 CICLO DEL PASSO PRESSIONE MPa Figura 5 39 Pmedia in determinati istanti del ciclo del passo per alcune aree corporee Quadrilaterale QUADRILATERALE Pmedia MPa Istante del ciclo del passo Triangolo Femorale F 0 077 33 Estremita Distale Ant F 0 013 58 Tuberosita Ischiatica T 0 016 52 Estremita Distale Post F 0 051 27 Mediale Prossimale S 0 033 43 Estremita Distale Lat S 0 045 27 Apice Distale T 0 038 27 Tabella 5 4 valori di Pmedia ricavabili per l invasatura Quadrilaterale in aree corporee di interesse ed in determinati istanti del ciclo del passo con piano di riferimento F Frontale S Sagittale T Trasversale 111 5 3 5 Invasatura MAS UU dI dd vv A INR a pepee tanguera qua DEI cn ven nes 2 lo Ta A x x 43 xpit 58 pit pepe
121. etti del contenimento ischiatico andando a contenere il solo ramo nel suo aspetto mediale tramite un area definita orecchia e tagliando la parte posteriore al di sotto della plica glutea permettendo al paziente un guadagno in ampiezza del movimento La stabilit per questo tipo di invasatura fortemente dipendente dalle reazioni vincolari che si generano dal contatto del ramo ischiatico con l orecchia questo avviene a patto di avere un contatto pressoch ideale tra i tessuti molli del bacino e le pareti del socket La cuffia o liner un elemento iperelastico realizzato in materiale composito polimerico gel polimerico matrice solida in sospensione e rivestito da un tessuto bioinerte ed ipoallergenico negli spessori commerciali di 3 6 e 9 mm Questo componente ha la funzione di adattare la distribuzione degli sforzi agenti sul moncone in base alla variazioni di forma dello stesso per cause dipendenti da idratazione variazioni nella composizione media grasso muscolo etc rendendo la distribuzione stessa omogenea per rendere l accoppiamento meno fastidioso per il paziente evitando l insorgere di stati infiammatori o patologici dovuti ad un eccesso di sforzi pressori o tangenziali Spesso purtroppo i centri protesici non la propongono ai pazienti ed altrettanto spesso quando proposta viene rifiutata poich venduta ad un prezzo elevato si ricordi che in caso di amputazioni transfemorali non prevista nel Nomenclatore Tariffario c
122. ettono di stabilire una forte dipendenza dei risultati dal sito di misurazione nasce quindi la necessit di creare una metodologia standard che permetta di ottenere risultati raffrontabili Riguardo al valore del coefficiente di Poisson utilizzato durante le simulazioni nonostante i tessuti biologici di interesse si possano considerare perfettamente incomprimibili l implementazione del valore di 0 5 crea problemi di convergenza al risolutore numerico in quanto il valore del modulo di compressibilit K diverge E age 3 3 e quindi lim K 3 4 v gt 0 5 Per ovviare a questa problematica si trovano come precedentemente gia osservato valori molto prossimi a 0 5 in modo da poter approssimare il materiale come incomprimibile 49 In alternativa al modello lineare isotropo si trovano lavori di 2 autori che nell ultimo lustro hanno utilizzato il modello iperelastico Mooney Rivlin 4 grazie ai progressi della tecnologia che oggi permette di aumentare la complessit del modello e permettendo in questo modo di considerare almeno una parte delle non linearit caratteristiche dei tessuti biologici Il tessuto osseo considerando che il suo modulo di Young maggiore di almeno 5 ordini di grandezza rispetto a quello dei tessuti molli in cui immerso stato associato da tutti gli autori al modello di corpo rigido 3 1 3 Le condizioni al contorno di interazione di carico Si andranno ora ad analizzare le varie
123. evitando che la non precisa considerazione ex ante delle problematiche crei dolore e sensazioni sgradevoli ex post al paziente AI fine di validare l utilit di questa ipotesi teorica sono state effettuate alcune interviste informali a pazienti amputati transfemorali dalle risposte ottenute si evince una difficolt ad accettare psicologicamente un oggetto che viene visto non come un oggetto atto a recuperare autonomia e funzionalit del movimento ma come un fastidioso pezzo di plastica che si obbligati ad indossare nella quotidianit per non dover mostrare la propria differenza rispetto alla collettivit Alla richiesta ai pazienti su quali fossero le motivazioni che facessero muovere codeste critiche ed aspettandosi una risposta che indicasse principalmente l aspetto estetico questa ha in realt riguardato per la maggior parte dei casi l accoppiamento tra il moncone e l invasatura indipendentemente dal tipo utilizzato con un contatto spesso doloroso con danni alla pelle ulcere abrasioni contrazione di infezioni ed ematomi fig 2 29 Da un attenta analisi delle risposte ottenute si pu risalire ad alcune principali problematiche a cui sia il paziente sia lo staff clinico spesso non danno l importanza necessaria le condizioni igieniche del moncone il dettaglio pi semplice da curare nella maggior parte dei casi il pi trascurato e comporta spesso contaminazione batterica del sito con ipersensibilizzazi
124. eviti il distacco dei due corpi Un ultima considerazione va fatta riguardo all imposizione di carichi o spostamenti nodali nelle prove che saranno descritte in seguito ci si orientati sull applicazione al rigid body poich questo tipo di corpo in grado di accettare forze momenti traslazioni e rotazioni a differenza dei corpi deformabili i quali sono in grado di accettare solo forze pressioni o traslazioni che grazie alla scelta di vincoli e o contatti adeguati li trasferir alle parti geometriche confinanti Il discrimine tra la scelta di una condizione di un tipo o dell altro stata la ricerca della convergenza e stabilit della soluzione poich spesso con compresenza di controllo di forza e sliding interface il solver non riesce a trovare una soluzione che sia 72 stabile con calcolo di Jacobiani negativi che bloccano l evoluzione della ricerca della stessa Di fronte a questo tipo di risultato si passati su suggerimento dei programmatori all imposizione di un campo di spostamenti con controllo della reazione vincolare sul corpo rigido in modo da ottenere per la stessa valori coerenti con il modello fisico 4 2 2 Solving La prima operazione necessaria all accesso alla fase di solving l esportazione tramite PreView del file feb Questo organizzato come un file di testo con struttura gerarchica XML based contenente tutte le informazioni implementate nel modello durante la fase di pre proce
125. f certain load combinations that relate to particular moments of the gait cycle mainly mid stance The software chosen for this work is FEBio whose source code is written by the Musculoskeletal Research Laboratory of the University of Utah in collaboration with the Musculoskeletal Biomechanics Laboratory of the Columbia University and publicly available for the modification only for private use and therefore do not fit between the software open source category During the execution it has been realized about important deficiencies in many functions in theory available but in fact implemented with lot of bugs among which the absence of a functioning model of friction difficulty or often even impossibility to obtain convergence with the sliding interface when both sliding surfaces aren t initially in contact etc In order to achieve congruent with reality simulations were constructed two models analysis of the contact during the donning procedure and analysis of the contact during the evolution of the gait cycle The first one dynamic and therefore with high computational cost has been chosen due both to the inability of the software to solve the initial interpenetration between surfaces and to apply to the sliding interface boundary condition to two surfaces that are not initially in contact in the static module It includes the following geometry elements stump hyperelastic constitutive Mooney Rivlin law femur rigid body
126. feriore 1536 d C si iniziarono ad avere le prime articolazioni funzionali di ginocchio la cui evoluzione prosegu fino al 1696 quando il chirurgo olandese Pieter Verduyn ne svilupp una versione che alla base dei dispositivi moderni Durante la guerra di secessione americana 1861 1865 d C il numero di amputazioni crescente in termini esponenziali obblig gli americani ad attivare la ricerca in questo campo si pu ricordare ad esempio James Hanger primo amputato documentato della guerra civile che realizz la propria Hanger Limb e che in seguito venne da lui stesso prodotta su ampia scala grazie a finanziamenti ricevuti da parte del governo americano fig 1 3 Nella prosecuzione dell evoluzione si pu vedere un altra tappa fondamentale nel 1912 anno in cui venne realizzata la prima protesi in alluminio con l intento di alleggerire il dispositivo che fino ad ora era prodotto in legno o leghe ad elevata densit La spinta maggiore al miglioramento si avuta in ogni caso in seguito alla Seconda Guerra Mondiale grazie alle richieste dei veterani che portarono ad un impegno diretto da parte del governo degli Stati Uniti d America non pi solo da finanziatore esterno di progetti privati con sviluppo di nuove tecnologie che prevedevano l utilizzo di resine termoindurenti e materiali compositi un evoluzione che permette oggi di utilizzare protesi con sistemi di controllo ed attuazione robotizza
127. fine di garantire la confrontabilita delle varie prove con parametri modificati la stessa utilizzata per 1 vari spessori dell elemento sensibile tab 4 3 27 del ciclo del passo 89 4 5 3 Variazioni dei momenti articolari Le condizioni di carico rilevate durante la gait analysis e testate nel modello in esame sono ovviamente riferite ad una sola prova osservando i grafici figure da 4 18 a 4 24 si pu notare come per gli individui del gruppo di controllo normodotati vi sia una banda di oscillazione sia per la geometria articolare sia per i valori di forze e momenti Avendo a disposizione come detto prima una unica prova per il paziente amputato ovvio come non sia possibile ricostruire dei valori di deviazione standard che siano realmente legati al cammino dell individuo oggetto di analisi in realt si necessiterebbe di molteplici prove ripetute AI fine di verificare situazioni che siano da considerare maggiormente borderline per i valori di pressione di contatto ipotizzando per l individuo amputato un pattern di cammino insicuro con equilibrio poco stabile si considerato uno scostamento del 10 per il valore dei momenti articolari dato scelto arbitrariamente sulla base dell analisi dei valori degli individui normodotati valutato nelle situazioni limite ovvero negli istanti temporali del ciclo del passo in cui il momento flessorio estensorio piano sagittale ed il momento abduttorio adduttorio piano fronta
128. fine di interpretare i dati ottenuti in modo corretto si tenga conto che in letteratura scientifica possibile reperire alcuni lavori che definiscono la Psoglia per il dolore nel distretto corporeo di interesse mediamente pari a 0 69 MPa 4I Inoltre si precisa che il simbolo Pmax area da qui in poi indicato rappresenter il valore massimo della pressione media agente sull area corporea di interesse nei vari istanti del ciclo del passo 5 3 6 1 OSIC Carbone Vista frontale fig 5 8 presenza di una ampia area di pressione distribuita nel distretto anatomico del triangolo femorale creata grazie alla presenza di zone di sovrappressione adeguatamente sagomate Questa scelta progettuale ha permesso di ottenere valori di pressione massima nell area adeguatamente bassi durante tutto il ciclo del passo Pmax tri fem 0 106 MPa al 27 del ciclo del passo creando una condizione ottimale per il comfort del paziente inoltre come avverr per tutte le invasature che verranno analizzate successivamente l effetto del momento flessorio massimo applicato un istante prima del toe off sar limitato la pressione massima sull estremit distale anteriore del moncone risultata pari a 0 012 MPa Vista posteriore fig 5 9 osservando questa vista possibile notare in modo amplificato quanto gi analizzato per la vista anteriore con presenza nell area dei muscoli hamstrings di una zona di sovrappressione agente da punto di supporto per
129. hoices are very heterogeneous with shapes that represent only the stump on the outer surface are applied boundary or load conditions the only socket to which are applied load conditions arising from the contact complete models stump socket etc choice of constitutive laws to be assigned to the materials in order to simplify the work of the solver it is mainly founded tracking of the use of linear elastic isotropic law assigned to the stump as an uniform volume in some cases tests were made with XI the hyperelastic Mooney Rivlin law Both the socket and the femur to eliminate many unknowns from the matrix system are for the most part of the cases considered as rigid bodies definition of the boundary conditions very dependent on such arbitrariness simplifications it is desired to include into the model and what constraints are available in the software choosed In particular the algorithms of contact most used were those falling in the category of automated contact or general contact because they capable both of putting in contact two surfaces penetrated by calculating the pressure stress acting on the two materials resulting from the operation and to calculate the pressure and tangential efforts due to handling of the model in response to application of load histories imposition of load conditions in most cases there has been application of a pressure pattern or vertical loads sometimes it is possible to find traces of the use o
130. i avanzate di processori con sempre maggiore capacit di calcolo e gli sviluppi in ambito robotico ha oggi rotto il taboo della vera limitazione di ogni tipo di protesi presente sul mercato ovvero l incapacit di comunicazione bidirezionale tra il sistema nervoso centrale del paziente ed il dispositivo Queste nuove tipologie di protesi note come bioniche seppur ancora ad uno stadio prototipale a causa del costo elevato rappresentano una notevole evoluzione poich in grado sia di muoversi in seguito a codifica real time de segnale elettroencefalico eseguita da un chip impiantato sulla corteccia motoria sia di ricreare dei feedback sensoriali tatto caldo freddo modulazione della forza grazie ad elettrodi collegati ai nervi residui dell arto amputato 2 4 LE PROTESI TRANSFEMORALI Lo standard italiano UNI ISO 9999 recepito nel D M 332 99 a partire dallo standard internazionale EN ISO 9999 oltre a dettare quali debbano essere le nove fasi di lavorazione per la realizzazione di un dispositivo richiamando la norma ISO 8549 1 1989 prevede una classificazione degli ausili tecnici in classi sottoclassi e divisioni ognuno di questi livelli gerarchici rappresentato da un codice numerico compreso tra 1 e 99 a cui associata una tariffa corrispondente al costo rimborsato dall Azienda Sanitaria Locale al commerciante spesso non corrispondente al reale valore del dispositivo Le protesi transfemorali inquadrate secondo l
131. i rappresenta il kernel nucleo di gran parte dei codici di analisi automatici disponibili in commercio rende possibile la semplificazione del problema iniziale riconducendolo ad un sistema di equazioni algebriche La semplificazione avviene suddividendo domini geometrici complessi in un numero anche molto grande di sottodomini pi semplici operando quella definita come discretizzazione in elementi tridimensionali per corpi deformabili o bidimensionali per corpi rigidi con la possibilit sotto l applicazione di determinate condizioni al contorno e di carico che riconducano alla realt simulata di tentare con un procedimento iterativo l ottenimento di 44 una soluzione che minimizzi una funzione di errore convergenza del problema I lavori reperibili nella letteratura che si sono analizzati comprendenti sia valutazioni su varie tipologie di amputazione con scelte differenti nei valori numerici ma simili nel concetto sono distribuiti nell ultimo ventennio in modo da ottenere una copertura pressoch totale del background scientifico Si noti che 1 primi 2 articoli sono principalmente una raccolta critica di scelte effettuate da autori che hanno pubblicato nel decennio 1987 1998 i cui lavori sono spesso difficilmente accessibili da database elettronici ma in realt molto importanti per aver gettato le prime basi per lo sviluppo del metodo e sono quelli ad opera di Silver Thorn M B et al 4 Zhang M et al 4 Lacroix D et al
132. i automatici o del tutto automatici Analizzando per contro le problematiche dei vari metodi sopracitati necessario tener presente la bassa definizione per le immagini prodotte US l emissione di radiazioni ionizzanti dannose per la salute umana RX e CT il costo elevato dell apparecchiatura MRI le deformazioni causate ai tessuti molli con conseguenti misurazioni a basso grado di accuratezza e precisione tastatori meccanici ed il poco realismo morfologico derivante dall utilizzo forme geometriche semplici computer graphics utile solo in una fase preliminare Il moncone nei lavori presenti in letteratura sempre stato acquisito nella sua forma libera senza indosso il socket e senza n bendaggi n cuffia spesso filtrando la superficie 46 digitalizzata nella zona distale per eliminare le discontinuita dovute alle cicatrici post operatorie per esigenze di semplificazione del modello Riguardo a quest ultima operazione bene ricordare uno studio compiuto da Portnoy et al incentrato sull effetto delle cicatrici il risultato come prevedibile che queste si comportino come una discontinuit geometrica che crea un vero e proprio effetto di intaglio con accumulo di sforzi nel loro intorno e rischio di DTI modificando anche il flusso di sforzi tra il segmento di osso residuo e muscolatura La cuffia un elemento difficilmente presente nei modelli realizzati da ricerche approfondite si riscontrato
133. i di contatto durante il ciclo del passo vista mediale MAS 112 Figura 5 43 pressioni di contatto durante il ciclo del passo vista laterale MAS 113 Figura 5 44 pressioni di contatto durante il ciclo del passo vista dal basso MAS 113 Figura 5 45 P media in determinati istanti del ciclo del passo per alcune aree corporee MAS 113 Figura 5 46 P media in determinati istanti del ciclo del passo per alcune aree corporee MAS 114 Figura 5 47 P media in determinati istanti del ciclo del passo per alcune aree corporee MAS 114 Figura 5 48 pressione di contatto IC OSIC Carbone elemento sensibile di spessore 3 mm e O E 120 Figura 5 49 pressione di contatto Quadrilaterale elemento sensibile di spessore 3 mm e 9 11113 PRIORE PRIORI ARTO ATO ORE SI RATE a s n OTT reat Mo SERI 120 Figura 5 50 pressione di contatto MAS elemento sensibile di spessore 3 mm e 9 mm 120 Figura 5 51 pressione di contatto IC OSIC Carbone Poliuretano e Poly SBS 122 Figura 5 52 pressione di contatto IC Rodin 4D Poliuretano e Poly SBS 122 Figura 5 53 pressione di contatto IC Tom Most Poliuretano e Poly SBS 125 Figura 5 54 pressione di contatto Quadrilaterale Poliuretano e Poly SBS 123 Figura 5 55 pressione
134. i files prodotti 2 Creazione di un assembly d insieme delle parti con posizionamento ottimale delle stesse in modo da rappresentare in modo adeguato la realta delle superfici a contatto dando la possibilita al solver di effettuare un analisi convergente 3 Assegnazione delle propriet biomeccaniche tramite l imposizione sulle parti di leggi costitutive e attribuzione di valori che siano fisicamente rappresentativi del materiale ai parametri costituenti le sopracitate leggi 4 Assegnazione delle condizioni di vincolo in modo da attribuire ad ogni nodo il numero corretto di gradi di libert usando rappresentazioni di modelli teorici quali incastro cerniera carrello etc 5 Assegnazione delle condizioni di contatto a diverse aree del modello che presentano interazioni quali ad esempio sliding interface rigid contact etc 6 Assegnazione delle condizioni di carico o di spostamento ai nodi o alle superfici 7 Definizione degli step temporali con scelta del tipo di analisi da effettuare statica vs dinamica del tipo di risolutore del numero degli step e della durata al fine di ottenere una convergenza ottimale del modello 8 Creazione del file feb e solving 9 Analisi critica dei risultati ottenuti Volendo associare i passi appena descritti alle fasi previste dalla software suite gli step da 1 a 7 corrispondono al pre processing 1 8 step corrisponde al solving ed infine il 9 step rientra nel post processing fas
135. i nuove tecnologie chirurgiche sia ortopediche che vascolari di terapie antibiotiche nonch il miglior controllo relativamente a patologie croniche come il diabete hanno ridotto la necessit di interventi di questo tipo Inoltre probabilmente a causa dell aumento dell aspettativa di vita fig 1 4 si avuta un redistribuzione rispetto alle percentuali dei fattori causali Grazie ad azioni di politica sociale e ad una maggior consapevolezza del rischio stradale acquisita si riscontra un drastico calo di amputati da causa traumatica si ricordi per esempio l introduzione con il D L n 151 del 27 giugno 2003 della c d Patente a punti grazie alla quale si avuto un drastico calo di incidenti stradali con morti e o feriti a cui si contrappone un aumento importante da causa patologica spesso per cattive abitudini di vita Attualmente il 76 delle amputazioni di causa patologica principalmente individui della fascia di et 61 70 anni il 21 di causa traumatica principalmente individui nella fascia di et 21 30 anni ed il 3 dovuto a correzione di malformazioni congenite fig 1 5 L amputato nel nostro Paese quindi mediamente una persona di et superiore ai 65 anni ed affetta da patologia cronica invalidante prettamente con complicanze di tipo vascolare mTraumatica Malformazioni Congenite Patologica Figura 1 5 distribuzione percentuale italiana di amputati per causa di amputazione Per quanto rigu
136. i sviluppi tecnologici introdotti nel corso dell ultimo decennio Assume da questo punto di vista particolare importanza il modello realizzato per la simulazione del contatto tra moncone ed invasatura durante il cammino che ha fornito informazioni coerenti con quanto ci si potesse aspettare dal punto di vista qualitativo ovvero sulla posizione delle aree di tessuto compresso con l invasatura quadrilaterale comprimente principalmente la tuberosit ischiatica le invasature a contenimento ischiatico sebbene ognuna con le proprie particolarit comprimenti l area dell ischio e l invasatura MAS che se da un lato presenta la peculiarit di contenere il solo ramo ischiatico dall altro lato punta a smentire uno dei canoni su cui si bas la realizzazione dell invasatura a contenimento ischiatico ovvero il contenimento di una quantit maggiore di tessuti molli Sebbene il confronto tra i valori di pressione risultanti dalle simulazioni effettuate per le varie invasature non sia scientificamente possibile perch realizzate sulla base di monconi completamente differenti come forma e dimensione non comunque casuale il fatto che 1 valori trovati per questo tipologia siano in assoluto 1 pi elevati proprio a causa di una quantit minore di tessuto contenuto Di fronte a questo risultato quasi certa una dipendenza psicologia per la soglia del dolore la presenza di una cosmesi pi simile ad un arto vero porta probabilmente il paziente a
137. i tessuti molli evidenziando con matita copiativa eventuali sporgenze ossee da tenere in considerazione per evitare che il contatto di dette parti con l invasatura possa causare sensazione di dolore al paziente realizzazione del modello negativo tramite bendaggio del moncone con spessori successivi di benda gessata intervallati da strati di calze di nylon in modo da contenere il gesso degli spessori precedenti stilizzazione del modello negativo caratterizzando le zone a maggior minor pressione e modellandole manualmente Sullo stesso una volta ultimato si effettuer una prova di congruenza facendolo indossare al paziente controllando la correttezza del lavoro effettuato e verificando che non vi siano pressioni anomale in aree non previste realizzazione del modello positivo cospargendo di calco il negativo riempiendolo 27 con un moulage di acqua e scagliola di gesso utilizzandolo quindi come una forma e tagliandolo per estrarre il positivo una volta completato il processo di presa ed indurimento verifica sagomatura e finitura del modello positivo sulla base delle misure antropometriche eliminando eventualmente con un apposita raspa il materiale in eccesso e sagomando in modo adeguato le aree sottoposte a carico in seguito si andranno a colmare eventuali imperfezioni e si levighera il modello con lima da gesso e carta vetrata formatura del socket di prova con l apposizione di una lastra di materiale termoplas
138. iale o volumetrica in uno dei formati supportati 7 seppur con molte limitazioni riguardo al contenuto di informazioni per ognuno dei formati la scelta effettuata per il seguente lavoro stata per inp formato nativo di ABAQUS per le parti geometriche a cui sia stata assegnata una mesh tridimensionale e stl STereo Lithography interface format formato comune di esportazione per la stampa in 3D per le parti geometriche a cui sia stata assegnata una mesh bidimensionale shell Per quanto riguarda le tipologie di elementi il software supporta 1 tipi tetraedro pentaedro o esaedro fig 4 3 per domini 3D sia del primo che del secondo ordine per tetraedri ed esaedri compatibilit che per non mantenuta per ognuno di questi elementi nel post processor PostView e triangoli o quadrilateri per domini 2D fig 4 4 Tetraedro Esaedro Pentaedro Tet4 Tet10 Hex8 Hex20 Pent6 Figura 4 3 tipologie di elementi 3D supportati da FEBio Si andranno ora ad analizzare i singoli elementi supportati in modo da avere una panoramica chiara delle possibilit di uso e del metodo di implementazione Tetraedri elementi tridimensionali discretizzati da 4 nodi Tet4 o da 10 nodi Tet10 ciascun nodo presenta 3 gradi di libert sono consentite le sole traslazioni lungo i 3 assi portando il computo totale a 12 gdl per il tetraedro del primo ordine e 30 gdl per il tetraedro del secondo ordine Per la prima tipologia il campo di spostame
139. icando questo legame costitutivo si ha la possibilit di utilizzarli come effettori tramite i quali applicare alle parti rimanenti forze e momenti oppure spostamenti All interno della software suite questo tipo di materiale definito da 4 parametri fig 4 12 densit da considerarsi solo per analisi di tipo dinamico in quanto il solver la utilizza per il calcolo delle accelerazioni E modulo di Young il cui valore va inserito solo nel caso in cui la parte sia a contatto con una superficie con la richiesta imposta al software di calcolare in autonomia un valore di penalty affinch le due superfici non si compenetrino es sliding interface v coefficiente di Poisson il cui inserimento come per il modulo di Young necessario solo nel caso di contatti per cui si voglia utilizzare l auto penalty center of mass COM ovvero le coordinate nel sistema di riferimento assoluto del punto spaziale in cui vengono applicate forze e momenti oppure spostamenti al corpo rigido questo punto assume quindi il significato di centro di rotazione del singolo corpo rigido Per quanto riguarda il tessuto osseo si sono utilizzati i seguenti valori caratteristiche medie di un femore umano si ricordi che gli stessi sono arbitrari e non utilizzati dal software se non per il calcolo del valore di penalty iniziale tramite l algoritmo di auto penalty 77 E 10000 MPa v 0 3 densit 0 0022 movimento corretto del modello
140. ice da misurare rispetto agli sforzi tangenziali sebbene come gi visto questi siano molto importanti da valutare poich se troppo elevati causano un innalzamento locale della temperatura della pelle con sviluppo di irritazioni cutanee ed abrasioni la difficolt tecnica nel costruire un apparato che ne permetta la rilevazione senza interferire con la misura effettuata ha reso difficoltosa la ricerca di una metodologia sperimentale Per ovviare a questa grande limitazione sono state fatte sia prove in vivo riguardanti la ricerca del valore di coefficiente di attrito tra il tessuto cutaneo ed alcuni tra i materiali utilizzati per la costruzione di invasature sia misurazioni dello scorrimento relativo tra le superfici a contatto fattore direttamente legato al valore del coefficiente d attrito In particolare per la prova sperimentale di misura del valore dello scorrimento la configurazione di prova consiste in una penna biro incastrata in un inserto di plexiglass posizionato in un foro praticato nel socket e bloccato da un o ring fig 3 9 Durante il moto relativo la penna biro che rimane a contatto con il moncone traccia sullo stesso un segno misurabile una volta tolta la protesi SOCKET WALL INSERT PLEXIGLAS HOUSING STU lt a Figura 3 9 configurazione di prova per la misura dello scorrimento relativo tra moncone e protesi La critica principale che ci si sente di muovere a questo tipo di lavoro che sebbene l
141. ici ad aria compressa o idraulici ad olio Inoltre nello spazio compreso tra la parte distale del socket e quella prossimale del ginocchio possibile inserire un rotatore statico con sistema di sblocco manuale tramite un pulsante che permetta quando libero una rotazione completa in entrambi i versi di 24 rotazione al fine di restituire autonomia all amputato in gesti quotidiani quali l indossare pantaloni o calzature Il pilone di sostegno posto tra il ginocchio ed il piede protesico una struttura tubolare costruita in materiali quali alluminio carbonio o titanio in accordo alle caratteristiche prestazionali e di costo che si vogliono conferire alla protesi Lo schema statico equivalente corrisponde ad un asta con agli estremi diverse combinazioni di vincoli a seconda delle condizioni ad esempio nel caso di ginocchio bloccato e piede policentrico questo corrisponde ad un asta incastrata ad un estremit con una cerniera all estremit opposta Queste tipologie di schemi statici sono particolarmente critici poich rischiano di andare incontro al fenomeno dell instabilit statica e dinamica per aste compresse Su questo elemento possibile inserire dei rotatori torsionali in modo da assorbire le sollecitazioni di momento torcente che si generano durante il ciclo del passo che se non compensate verrebbero assorbite a livello dell interfaccia tra socket e moncone con rischio di irritazioni cutanee ed
142. ies used are as follows stump rigid body liner hyperelastic constitutive Neo Hookean law with the characteristics of the silicone gel five sockets the three ischial containment ones used for the first model a quadrilateral one and a MAS one rigid body A pattern of loads and joint moments derived from gait analysis of a patient with femoral amputation in instants of particular interest principally at the maximum of each component of force or moment has been applied to the model Furthermore in order to evaluate the goodness of fit of the software to changes in input parameters it have been made three more simulations with the following changes to the starting model changes in the thickness of the sensitive element changes in the material of the sensitive element changes in the maximum joint moments with a standard deviation of 10 changes in the alignment of the model in the frontal plane The results allow to continue the characterization of the ischial containment sockets performed with the analysis of the donning procedure the areas in which there is accumulation of pressure stresses are coherent with theoretical predictions summed to the particularities of each socket found previously The maximum values are in the order of 0 1 MPa on the femoral triangle 0 05 MPa in the ischial area 0 06 MPa in the posterior distal area 0 06 MPa in the lateral distal end and 0 05 for the distal extremity these inten
143. ificabile osservando la vista mediale in cui possibile notare nell area dell ischio un tratto sottoposto ad una pressione massima di 0 112 MPa pressione media sull area pari a 0 102 MPa fungente da sostegno all invasatura In particolare spostandosi sulla vista posteriore risulta chiara la scelta del costruttore di non utilizzare il gluteo e la parte posteriore della tuberosit ischiatica come punti di sostegno infatti queste aree risultano completamente scariche una scelta del genere comporta il vantaggio di lasciare un area particolarmente sensibile come quella perineale scarica con la necessit di aumentare la quantit di carico da sostenere tramite l attrito tra il resto dei tessuti ed il socket possibilit purtroppo non esplorabile a causa delle limitazioni del software di cui si gi discusso Nel resto del moncone la pressione risulta distribuita in modo abbastanza uniforme con valori compresi nel range 0 0 058 MPa La seconda invasatura Rodin 4D presenta molte differenze nei canoni realizzativi rispetto alla prima con il carico che viene supportato da differenti aree dalla vista frontale per esempio possibile notare un area pi compressa nel distretto del triangolo femorale con intensit massima pari a 0 075 MPa e media pari a 0 068 MPa da quella mediale si vede come 1 tessuti dell area ischiatica siano meno compressi rispetto al caso precedente Al fine di ottenere stabilit osservando la vist
144. igura 5 27 pressioni di contatto durante il ciclo del passo vista laterale IC Tom Most Apt A di vt un om a sv n ammi sol gt i E DI s a See 9 pit si pensa apre bd su e 0 0 1 2 ui Figura 5 28 pressioni di contatto durante il ciclo del passo vista dal basso IC Tom Most PRESSIONE DI CONTATTO MEDIA PIANO FRONTALE 0 14 0 12 0 1 E ESESESR a E 2 0 08 e Triangolo Femorale O e Anteriore Distale A 0 06 A a i ST 5 0 04 gt Posteriore Distale a e HAS 0 02 a e Gluteo 99 0 0 10 20 30 40 50 60 70 CICLO DEL PASSO Figura 5 29 Pmedia in determinati istanti del ciclo del passo per alcune aree corporee IC Tom Most 107 PRESSIONE DI CONTATTO MEDIA PIANO SAGITTALE 0 06 e 0 05 Zt AA 0 04 e Laterale Distale PRESSIONE MPa NG ek 0 02 o e schio 0 01 Nu o e 0 0 10 20 30 40 50 60 70 CICLO DEL PASSO Figura 5 30 Pmedia in determinati istanti del ciclo del passo per alcune aree corporee IC Tom Most PRESSIONE DI CONTATTO MEDIA PIANO SAGITTALE 0 06 0 05 z Tooo 0 02 a e Apicale Distale 0 01 e K 0 10 20 30 40 50 60 70 CICLO DEL PASSO PRESSIONE MPa Figura 5 31 Pmedia in determinati istanti del ciclo del passo per alcune aree corporee IC Tom Most IC TOM MOST Pmedia MPa Istante del ciclo del passo Triangolo Femorale F 0 116 33 E
145. il moncone durante l estensione dell arto sulla quale agisce una pressione paragonabile a quella misurabile sull estremit distale posteriore Pmax dist post 0 063 MPa al 43 del ciclo del passo Nella fase flessoria dell arto nell istante precedente al toe off il carico si sposta sul gluteo che grazie ad un ampio contenimento nell invasatura senza la presenza di punti di compressione per l ischio sottoposto ad una pressione di lieve entit Pmaxgiu 0 018 MPa al 58 del ciclo del passo Viste mediale e laterale fig 5 10 5 11 durante la maggior parte della fase di stance dell arto si ha presenza di momento abduttorio con ovvia pressione presente all estremit distale laterale del moncone sulla quale si distribuisce in modo uniforme grazie alla presenza delle zone di sovrappressione sopra citate con un valore massimo pari a 0 050 MPa e nell area del contenimento ischiatico Pmax isch 0 061 MPa con l ischio si ricordi contenuto e non compresso La quasi completa assenza di momento adduttorio dovuta al deficit di forza del gruppo muscolare comporta l assenza di sforzi sui tessuti biologici all estremit distale mediale e del trocantere 115 Vista dal basso fig 5 12 il valore massimo di pressione pari a 0 050 MPa si ha al 27 in corrispondenza del passaggio dell arto per la verticale In funzione di quanto assunto nel quarto capitolo si pu concludere che in caso di contatto totale ed in ass
146. imaria di un socket come si gi accennato in precedenza il sostegno del peso corporeo nelle fasi ortostatica standing e dinamica gait cycle permettendo alla muscolatura dell anca e della coscia di operare alla propria massima potenza La valutazione su cui si fond la progettazione di questa tipologia fu the ischial tuberosity can tolerate total weight bearing therefore the ischial tuberosity must bear total weight 3 creando la base quindi per la realizzazione della caratteristica seduta ischiatica ampia circa 25 mm sulla parete posteriore cio un area di contatto che con l amputato in posizione ortostatica orientata orizzontalmente e sulla quale appoggia sia la tuberosit ischiatica dell individuo sia parte della muscolatura del gluteo trasmettendo il peso corporeo alla protesi Figura 2 17 equilibrio in direzione antero posteriore per un socket quadrilaterale piano sagittale 29 La realizzazione di una soluzione di questo tipo crea un problema riguardo alla stabilita antero posteriore del moncone con rischio sia di eccessiva antiversione del bacino causa di dolore diffuso alla regione lombare della schiena sia di perdita di equilibrio da parte dell amputato causata dalla perdita dell appoggio sulla seduta risolta creando la tipica forma del socket quadrilaterale con la larghezza in direzione antero posteriore minore rispetto a quella in direzione medio laterale e con la parete anteriore di altezza
147. in amputazione transfemorale al terzo prossimale amputazione transfemorale al terzo medio amputazione transfemorale al terzo distale Un moncone che presenti delle caratteristiche funzionali adeguate all utilizzo di una protesi ovvero generazione di forze e momenti dovrebbe rispettare la necessit di lunghezza residua minima al terzo medio Per valori minori il braccio di leva risulterebbe troppo breve per il controllo dei movimenti della stessa e si verrebbe a creare uno squilibrio tra gruppi di muscoli antagonisti con i flessori che prevarrebbero sugli estensori e gli abduttori che 15 prevarrebbero sugli adduttori Ci comporterebbe le seguenti deviazioni rispetto alla posizione ideale abduzione sul piano frontale per l azione dei muscoli pelvi trocanterici flessione sul piano sagittale per l azione del muscolo ileo psoas distale prossimale Figura 2 3 classificazione secondo Slocum in base al livello dell amputazione Inoltre per evitare di creare dismetria in posizione seduta nei confronti dell arto controlaterale sarebbe ideale prevedere una distanza minima di resezione dalla rima articolare del ginocchio pari a 10 12 cm fig 2 4 Figura 2 4 lunghezza massima ideale del moncone La caratteristica realizzativa in sede chirurgica del moncone deve essere inoltre adeguata al tipo di invaso o socket si proceder in seguito alla descrizione delle tipologie costruttive che si intende
148. ineari quadratici cubici o di quarto grado nella definizione del campo di spostamenti per compatibilit e coerenza degli spostamenti il grado massimo di ogni singolo termine il secondo Pentaedri elementi tridimensionali discretizzati da 6 nodi supportati solo nella configurazione del primo ordine Pent6 con un totale di 18 gdl Per ognuno di questi elementi il vettore che indica la posizione globale si trova implementato nel software in dipendenza dalle coordinate isoparametriche normalizzate r s t abbandonando quindi il dominio fisico per la maggior semplicit di trattazione di distorsioni se queste non divengono troppo marcate secondo la seguente relazione n x r s t gt N x 4 4 i 1 con n numero dei nodi N funzioni di forma degli elementi x coordinate spaziali nodali Triangoli e Quadrilateri elementi bidimensionali fig 4 4 dotati di 6 gradi di libert supportati solo nella configurazione del primo ordine da utilizzare per parti 69 indeformabili rigid body per cui non si renda necessario valutare il gradiente di deformazione o per problemi riducibili alla forma 2D 3 3 Quad4 Tri3 Figura 4 4 tipologie di elementi 2D supportati da FEBio Gli elementi che si scelto di utilizzare in tutti i modelli che verranno presentati successivamente sono 1 seguenti Mesh 3D parti deformabili elementi Tet4 tetraedri del primo ordine dimensione 2 con meshatura e
149. inito una volta realizzato materialmente Entrambi i metodi dovrebbero essere complementari e far parte del ciclo di progettazione e realizzazione in modo da avere dei dati quantitativi di partenza su cui basare un progetto da validare in seguito tramite l utilizzo di sensori ma in alcuni ambiti come ad esempio la progettazione di un dispositivo protesico la prima parte ancora oggi spesso sostituita da metodi empirici basati sull esperienza di chi va materialmente a progettare e realizzare Inoltre molto spesso le tecniche di misura vengono utilizzate dalle aziende produttrici di componenti per protesi per avere dei dati numerici da allegare al proprio prodotto in modo da renderlo pi facilmente vendibile sul mercato anche se per la maggior parte dei casi al dato numerico non viene allegata la metodologia operativa utilizzata per ottenerlo togliendo significato di validit allo stesso e diventando un semplice dato per pubblicizzare il prodotto I sensori sono strumenti molto validi se utilizzati per misurare variabili da prove che siano ripetibili con facilit e confrontabili per verificare un dato proveniente da una simulazione numerica o da calcoli teorici Nell ambito protesico possibile assicurare una ripetibilit limitata su prove riguardanti un singolo soggetto e spesso per ottenerla si forza il paziente ad un pattern di cammino non naturale con l individuo che sar sottoposto ad un condizionamento psicologico d
150. isciplina alla civilt egizia grazie al ritrovamento di un dito protesico per piede realizzato in legno databile tra 11 950 ed il 710 a C con caratteristiche sia estetiche che funzionali in una tomba vicino a Luxor fig 1 1 Figura I 1 dito protesico egizio ritrovato a Luxor Nei secoli successivi lo sviluppo soprattutto dal punto di vista funzionale rimase pressoch fermo con le strutture protesiche che durante il Medio Evo venivano utilizzate principalmente per nascondere deformit o lesioni subite in battaglia ed erano destinate alla parte pi ricca della popolazione Figura I 2 mano di G tz Con un ampio salto temporale si raggiunge il periodo rinascimentale 1400 1600 d C durante il quale tutti i rami delle discipline scientifiche ebbero un notevole moto rispetto ai precedenti evi Si pu dire che la stessa storia delle protesi subisca una rinascita sono numerosi 1 ritrovamenti di questo periodo di strutture che univano ad una ricerca estetica la possibilit di riguadagnare funzionalit dell arto Si pu ricordare per esempio il braccio protesico utilizzato dal mercenario tedesco G tz Von Berlichingen 1480 1562 d C che grazie ad un sistema di cavi e molle poteva essere controllato dall arto controlaterale fig 1 2 Con il chirurgo Ambroise Par 1510 1590 d C che introdusse la tecnica chirurgica di legatura dei vasi in seguito ad amputazioni 1529 d C oltre a protesi di arto in
151. iva un fenomeno che si riscontrato anche per quanto riguarda l approccio agli elementi finiti ovvero un esiguo numero di lavori nei quali gli autori sono andati alla ricerca 57 di un dato quantitativo tramite l uso di sensori e strumenti di misura con preponderanza di valutazioni di accoppiamenti per transtibiali rispetto a transfemorali A differenza dei metodi numerici si ha una distribuzione temporale pi uniforme delle sperimentazioni ad indicare uno sviluppo tecnologico pi continuo nell ambito dei trasduttori di misura rispetto a quanto avvenuto con le tecnologie informatiche premesso che non scopo di questo lavoro catalogare e valutare tutte le varie e possibili scelte si proceder ora ad analizzarne alcune a campione in modo da dare un termine di paragone sul modo di conseguire risultati e sulla validit degli stessi rispetto all utilizzo del metodo agli elementi finiti La differenza principale tra un approccio computazionale ed uno sperimentale rappresentata dal momento temporale nel ciclo di realizzazione di un semilavorato prodotto finito in cui gli stessi intervengono tramite un metodo numerico come gi visto in precedenza si va a cercare una stima approssimata del risultato con la simulazione di una modellizzazione che tenti di avvicinarsi il pi possibile alla realt con un metodo sperimentale si va invece a leggere l effettivo dato reale che si ottiene dalla messa in opera del semilavorato prodotto f
152. l pianto frontale che su quello sagittale mantenuto a patto che la somma vettoriale dei due sia diretta perpendicolarmente alla faccia mediale del ramo ischiatico verso l inserzione del retto femorale Affinch la pressione che agisce sui tessuti corporei sia quasi idrostatica e considerando 36 che rispetto ad un invasatura a contenimento ischiatico ed a maggior ragione rispetto ad una quadrilaterale si perso l appoggio sul gluteo massimo che quindi non pi un punto di supporto per il peso corporeo i due vettori sopra citati e quindi la loro risultante devono Figura 2 26 condizione biomeccanica di equilibrio per un socket MAS essere bilanciati correttamente dalle reazioni vincolari generate dal contatto tra il moncone e le pareti e questo avviene a condizione in cui l invasatura crei un incastro geometrico sia con le ossa del bacino sia con i tessuti molli che si mantenga anche durante la fase dinamica In particolare al fine di evitare la manifestazione dei segni patologici precedentemente descritti es Trendelenburg necessario che vi sia una perfetta adesione tra le pareti laterali di moncone ed invasatura 2 5 LE CUFFIE Al fine di evitare un accumulo di sforzi causa di danni tissutali al moncone si rende necessario smorzare le seguenti componenti di forza nate dal contatto una componente in direzione verticale che agisce sull estremit distale del moncone a causa dell urto con il fondo dell
153. lati da FEBio per l invasatura Tom Most con valori dei momenti articolari 10 TF triangolo femorale AD anteriore distale PD posteriore distale G gluteo I ischio LD laterale distale i 789 Tabella A 7 valori di pressione MPa calcolati da FEBio per l invasatura quadrilaterale con valori dei momenti articolari 10 TF triangolo femorale AD anteriore distale PD posteriore distale TI tuberosit ischiatica MP mediale prossimale LD laterale distale liana ae di add 789 Tabella A 8 valori di pressione MPa calcolati da FEBio per l invasatura MAS con valori dei momenti articolari 10 TF triangolo femorale AD anteriore distale PD posteriore distale H hamstrings RI S ramo ischiatico piano sagittale RI T ramo ischiatico piano trasversale LD Laterale distale i aaa 741 Tabella A 9 errore percentuale medio deviazione standard dell errore percentuale e tipo di errore sottostima sovrastima per i valori stimati di pressione rispetto ai valori calcolati da XXII INTRODUZIONE L uomo per sua natura cerca di soddisfare tramite opere del proprio ingegno il desiderio di sentirsi completo Lo stimolo verso lo sviluppo delle protesi ed ancor di pi verso la realizzazione di strutture che abbiano caratteristiche funzionali oltrech estetiche pu essere considerato parte di questa necessit Percorrendone l evoluzione storica si pu attribuire la nascita della d
154. le pressioni e degli shear stress causati dall operazione Tra i lavori con presenza di una struttura rappresentante il socket ed implementazione del modello di attrito tra le geometrie le tipologie di condizioni di contatto che hanno fornito i migliori risultati sono basate sugli algoritmi di automated contact presenti ad esempio nel software MARC Con questi non necessaria la corrispondenza geometrica delle due meshes nella configurazione iniziale a differenza di quanto avviene con l uso di gap elements fig 3 7 poich in seguito a definizione di quale sia la master surface e quale sia la slave i nodi della slave che compenetrano la master vengono spostati fino a soluzione della compenetrazione In questo modo avendo l accortezza di impostare la superficie interna dell invasatura come master e la superficie esterna del moncone come slave si ha la possibilit di calcolare gli sforzi sul moncone derivanti dall operazione di spostamento e quindi dal contatto e quindi dal fatto di vere la protesi indossata Le condizioni di carico testate sulle geometrie di cui la fig 3 6 rappresentativa sono molto eterogenee si possono trovare pattern pressori applicati alla superficie esterna del moncone come gi presentato nell analisi iniziale del lavoro di Krouskop et al carichi assiali applicati all estremit prossimale del femore o della tibia 21 22 25 28 33 35 39 401 con l intenzione di simulare alcuni istanti
155. le raggiungono il proprio massimo I valori utilizzati sono elencati in tab 4 4 ANGu Rav Raar Rama Mintrextr Mappragp MFLEX EXT ISTANTE N N N N mm N mm N mm O 23 48 5292 15 7 383 5500 35600 75240 10 Mextens O 23 48 5292 157 383 5500 35600 61560 10 MExTENS O 33 01 547 4 1 46 1 4500 53130 33600 10 Ma O 33 0 1 547 4 1 46 1 4500 43470 33600 10 Masp O 63 76 0 0 1 95 200 9000 21120 10 MrLEx O 63 16 0 0 1 95 200 9000 17280 10 MrLEx O 63 76 0 01 95 200 9900 19200 10 Mapp O 63 16 0 0 1 95 200 8100 19200 10 Mapp Alto Ant Lat Intrarot Addutt Fless Convenzione Basso Post Med Extrarot Abdutt Estens Tabella 4 4 carichi e momenti utilizzati per la prova con momenti articolari variati del 10 90 4 5 4 Variazioni dell allineamento Richiamandosi al paragrafo 2 7 si pu ricordare la problematica dell allineamento dei componenti protesici all interno del seguente lavoro vista la configurazione semplificata del modello e le particolari problematiche riscontrate nel risolutore risulta impossibile uno studio approfondito degli effetti di variazioni da assetto dei componenti da una ricerca approfondita in letteratura si scoperto che le differenti posizioni di allineamento sul piano frontale influenzano in modo consistente come logico aspettarsi il pattern di cammino modificando i momenti e le
156. le condizioni vascolopatiche con maggiore incidenza rispetto all amputazione troviamo Arteriopatia Cronica Ostruttiva di IV Stadio con etiopatogenesi arteriosclerotica ovvero un ispessimento delle pareti vasali in seguito ad un alterazione della struttura legata al deposito di minerali e grassi con conseguente riduzione del lume vasale il rischio ischemico insorge con una riduzione del 75 dell area trasversa Vascolopatia Diabetica dovuta al diabete patologia metabolica cronica caratterizzata da un elevata concentrazione di glucosio nel sangue causata da una iposecrezione di insulina da parte delle cellule B del pancreas localizzate nella parte pi esterna delle isole di Langerhans Questa condizione porta ad una degenerazione arterosclerotica a livello dei grandi vasi e degenerazione ialina a livello dei piccoli vasi condizione quest ultima che porta alla formazione di ulcere sui piedi che nel loro V stadio presenza di gangrena estesa dell arto richiedono intervento di amputazione Aneurisma ovvero una dilatazione progressiva di un segmento vascolare con possibile evoluzione sia verso il cedimento del vaso sia verso un rallentamento del flusso sanguigno con ristagno ematico e rischio di formazione di trombi con obliterazione del circolo a valle degli stessi e rischio di ischemia nel territorio irrorato dall arteria occlusa 1 3 2 Traumi L amputazione pu essere inoltre conseguenza di traumi da schiaccia
157. le da parte del paziente ed introducendo una superficie arbitraria di contatto con il moncone che lascia incertezza sulla misura effettuata L ultimo tipo gli integrated circuit sheets permettono di rilevare mappe di pressioni effettuando una misura non distruttiva sull invasatura poich grazie al loro spessore infinitesimo permettono di essere inseriti nell interfaccia con il moncone la misura in questo caso rischia di essere falsata nel caso in cui i trasduttori non siano perfettamente aderenti all interfaccia di cui si vuole caratterizzare il contatto Gli sforzi tangenziali presentano difficolt oggettive ad essere direttamente misurati poich l introduzione di un materiale differente tra moncone ed invasatura falserebbe la misura La letteratura molto carente da questo punto di vista con la presenza di un solo studio in cui si prova a misurarli indirettamente rilevando lo scorrimento all interfaccia con una prova distruttiva forando l invasatura ed inserendo una penna biro incastrata in un inserto di plexiglass nel foro che lasciasse un tratto sulla pelle del paziente in corrispondenza di uno scorrimento verticale Questa configurazione di prova sicuramente un ottimo primo tentativo di misurare una grandezza correlata agli sforzi tangenziali ma va affinata a causa in primis di incertezze di misura del valore stesso si pensi al fatto che non si ha certezza del fatto che il tratto lasciato dalla penna corrisponda allo
158. ll analisi 1 metodo computazionale 2 metodo sperimentale 3 interviste con questionari Si propone in seguito una trattazione esplicativa richiamando 1 principali lavori e presentando possibili vantaggi e svantaggi applicativi 3 1 IL METODO COMPUTAZIONALE Il concetto di metodo computazionale basato sulla definizione di a goritmo ovvero una descrizione dettagliata passo per passo di un procedimento che permetta di raggiungere un certo risultato o risolvere un determinato problema partendo da dei dati di input il termine algoritmo deriva dalla trascrizione latina del nome matematico persiano Abt Ja far Muhammad ibn Misa al Khwarizmi ritenuto uno dei primi scienziati ad aver fatto riferimento a questo tipo di concetto Scorrendo 1 titoli catalogati in letteratura scientifica ci si pu fare un idea di massima sulle scelte degli autori La prima caratteristica osservabile la preponderanza di lavori eseguiti utilizzando come campione pazienti affetti da amputazioni transtibiali 34 rispetto a pazienti con transfemorali 55 4 4 471 scelta che si suppone dovuta alla maggior incidenza statistica a livello mondiale del primo tipo di intervento La seconda caratteristica risiede nel metodo computazionale scelto il FEM acronimo di metodo degli elementi finiti che verr presentato in dettaglio nel quarto capitolo Questa tecnica numerica applicabile a problemi descritti da equazioni differenziali alle derivate parzial
159. llo Si presenteranno ora 1 grafici fig 4 19 ottenuti in seguito ad elaborazione con Microsoft Excel dei dati acquisiti dai quali in seguito ad analisi approfondita si sono selezionati gli istanti temporali pi significativi principalmente in presenza di massimi in corrispondenza dei quali si proceduto ad eseguire il calcolo di forze e momenti interni elencati in tab 4 3 86 Angoli Relativi ANCA GRE verticale 40 0 1 40 1 20 mM a z 3 1 00 gt 0 80 E z 0 60 z 0 40 z 020 E 0 00 El 759 57 75 30 0 020 2 o 50 b Gruppo Di Controllo mw Amputato TF Gruppo Di Controllo Amputato TF GRF medio laterale GRE ntero posteriore 025 F 020 a 0 15 S 0 10 0 05 0 00 2 0 05 PN E f Z 0 10 fa 0 15 0 06 020 Gruppo Di Controllo se Amputato TF Gruppo Di Controllo Amputato TF Mexr Piano Trasversale Mexr Piano Frontale E 0 15 120 Z E 5A 1 00 0 10 2 0 05 f 5 ai jii 3 0a AN 000 fh I 5 040 Me ni O Om HE 50 To a e gt N a 0 20 lt 0 05 ian Y E a O 75 Z 0 10 2 020 0 by 0 15 2 0 40 Gruppo Di Controllo Amputato TF Gruppo Di Controllo Amputato TF Mexr Piano Sagittale 1 50 5 100 T i 3 oso MU S 030 il 0 00 a E 0 me Z E 0 50 1 00 Gruppo Di Controllo Amputato TF Figura 4 19 grafici elaborati sui dati acquisiti c
160. lo dell invasatura la spesa energetica in fase dinamica 8 ed ottenendo un pattern di cammino pi simmetrico e fisiologico grazie all ampio ROM ottenibile per tutti i gradi di libert della coxo femorale in particolare la flesso estensione completa Al fine di permettere ci la tuberosit viene lasciata libera nella sua parte 7 Range Of Motion 35 Figura 2 24 a vista mediale b vista posteriore e vista dall alto di un socket MAS posteriore e si vincola il solo ramo ischiatico nel suo aspetto mediale fig 2 25 grazie alla presenza di un profilo orecchia come indicato in fig 2 24c la cui realizzazione richiede un notevole grado di precisione poich dalla sua coerenza col modello teorico dipende l equilibrio del moncone all interno del socket Si passa quindi da un contenimento di tipo ischiatico ad un sottotipo ovvero un contenimento ramale IC MAS Figura 2 25 vista mediale del profilo di un socket a contenimento ischiatico e di un socket MAS in cui si evidenzia la differenza tra il profilo di un contenimento ischiatico e quello di un contenimento ramale Dal punto di vista biomeccanico dal contatto con l invasatura e l aspetto mediale del ramo ischiatico si generano due vettori uno in direzione medio laterale contenuto nel piano ischio trocanterico verso la regione sub trocanterica ed uno in direzione antero posteriore verso il tendine dell adduttore lungo fig 2 26 l equilibrio sia su
161. lo sviluppo delle protesi ha conosciuto enormi progressi negli ultimi 40 anni per poter soddisfare le sempre maggiori richieste da parte della vasta platea di pazienti disabili da amputazione chirurgica indipendentemente dall eziologia della stessa La necessit di reintegrazione nella vita quotidiana sociale e lavorativa di adattamento dell ausilio protesico alle proprie caratteristiche fisiche customizzazione di prestazioni sempre maggiori dal singolo componente dell arto artificiale hanno indirizzato 20 la ricerca scientifica verso lo sviluppo di dispositivi con una sempre maggiore ergonomia e funzionalita Le discipline scientifiche che hanno dato un maggior contributo in questo ambito sono riconducibili a rami della meccanica teorica ed applicata tramite l utilizzo delle leggi della meccanica classica dell informatica dell elettronica e della scienza dei materiali Si prendano come principali esempio le protesi cinematiche per arto superiore note anche col nome di protesi meccaniche attive ad energia corporea nelle quali il controllo funzionale viene effettuato grazie a sistemi di tiranti elastici e molle collegati a segmenti corporei controlaterali o parti corporee ancora attive fig 2 10 Si pensi anche al piede a restituzione di energia fig 2 11 nel quale seguendo i dettami del principio della conservazione dell energia meccanica equazione 2 1 ed utilizzando materiali compositi come la fibra di carbonio le
162. lori di sforzi tangenziali caratteristici del contatto Tied Interface definita dai programmatori nel seguente modo A tied interface can be used to connect two non conforming meshes la spiegazione proposta potrebbe lasciare spazio a differenti interpretazioni risolte con alcune prove effettuate su geometrie semplici il vincolo in grado di porre a contatto due superfici non conformi tra loro proiettando 1 nodi della slave surface sulla master surface non noto dal manuale del software lungo quale direzione la cosa avvenga a patto che entrambe nella condizione iniziale non siano vicendevolmente compenetrate una volta avvenuto il contatto la slave sar vincolata a muoversi insieme alla master al fine di evitare la separazione delle stesse necessario inserire un adeguato valore di penalty Se utilizzato su due conforming meshes di cui una sia un corpo rigido del tutto equiparabile ad una rigid interface Rigid Joint corrispondente ad un punto nello spazio dove due corpi indeformabili sono connessi ed ai quali consentita la rotazione relativa con comportamento similare ad un giunto sferico in cui i due corpi non possano separarsi Per configurare questo tipo di vincolo i parametri necessari sono le coordinate x y z del rigid joint all istante iniziale la selezione dei due corpi rigidi che risulteranno connessi e l inserimento di un valore di penalty moltiplicatore lagrangiano che vada a regolare la forza che
163. ltrettanto allarmante Negli Stati Uniti d America terzo stato pi popoloso al mondo dopo Cina ed India in cui vivono 320 000 000 di abitanti con un et mediata di 37 6 anni ogni anno si hanno circa 70 000 nuovi amputati di cui circa 60 000 di arto inferiore 15 000 amputazioni transfemorali analizzando la distribuzione delle cause si osserva che il 54 di questo numero per complicanze di malattie vascolari pregresse quindi di causa patologica il 44 per il verificarsi di eventi traumatici principalmente incidenti stradali o sul lavoro ed il 2 a causa di neoplasie La presenza di un tasso di obesit molto alto pari mediamente al 25 34 9 nella sola popolazione adulta indubbiamente una delle cause principali che concorrono al raggiungimento delle percentuali e dei numeri sopra indicati principalmente perch spesso associato all insorgenza di una patologia cronica come il diabete nota anche la malattia del benessere L Italia con i suoi 59 830 000 di abitanti di et media di 43 2 anni si colloca su dati numerici confrontabili con quelli americani Qui si hanno circa 10 000 nuovi amputati di arto inferiore ogni anno di cui circa 3000 pazienti subenti resezione all altezza del femore La ricerca di dati statistici riguardo alla distribuzione delle cause di amputazione consente di capire la differenza del fenomeno rispetto agli Stati Uniti Per quanto concerne la causa patologica inerente in particolar modo alla part
164. mento incidenti stradali domestici in ambito lavorativo o di traumi da arma da fuoco o cause belliche es mine antiuomo spesso i traumatismi comportano ampie lesioni ossee estese ai tessuti molli dovute a colonie batteriche che infettano la ferita nel momento in cui si verifica il trauma o nell immediato post incidente L amputazione pu essere contestuale all evento traumatico ed in questo caso l intervento 10 chirurgico servir per arrestare eventuali emorragie e o il progredire di infezioni ripulire Parea che ha subito il trauma e provare nei casi in cui i tessuti residui lo permettano la modellazione di un moncone che consenta una successiva protesizzazione di natura post traumatica se viene eseguita nell immediato post trauma oppure post chirurgica se invece viene eseguita in seguito a fallimento di un intervento ricostruttivo Nel Primo Mondo generalmente il paziente interessato da una lesione di questo tipo un giovane adulto con amputazione monolaterale e con buone condizioni generali di salute nel Terzo Mondo il paziente quasi sempre un bambino o un giovane amputato monolaterale o bilaterale con condizioni di salute critiche e diverse complicanze ad altri organi dovute al forte trauma subito 1 3 3 Neoplasie Per neoplasia si intende una massa abnormale di tessuto che cresce in eccesso ed in modo scoordinato rispetto ai tessuti normali e che persiste in questo stato dopo la cessazione degli stimoli che h
165. mputated are due to complications of previous and chronic or pathological vascular disease the 44 due to the occurrence of a traumatic event especially car crashes or work accidents and the 2 due to neoplasms The presence of a very high obesity rate 25 of the total population 34 9 of adult population is certainly one ofthe principal causes which increase the number of 70 000 amputation every year because most of times obesity is correlated to the onset of a chronic disease such as diabetes also known as the wellness disease Italian data with 59 830 000 inhabitants can be percentage compared to the American ones every year there are 10 000 new amputation of lower limb and 3 000 transfemoral amputation Statistics about the distribution of causes of amputation let understand the VII difference of this event between our country and United States The 76 of lower limb amputees between 61 and 71 years old lost their leg because of pathological cause even though our obesity rate is lower than U S 16 against 25 The explanation of this discrepancy could be explained considering that Italian population is in average older than American ones of about 5 years Focusing on the amputation occurred after a traumatic event which concerns mostly young people between 21 30 years old it is needed to observe that the percentage now equal to 21 declined over the years after the introduction with the D L n 151 of 27 June 2003 the
166. n 1991 24 Silver Thorn MB Prediction and experimental verification of residual limb prosthetic socket interface pressure for below knee amputees Ph D Dissertation Northwestern University 1991 25 Steege JW Silver Thorn MB Childress DS Design of prosthetic socket using finite element analysis Proceedings of 7th World Congress of ISPO Chicago IL 1992 273 26 Silver Thorn MB Childress DS Use of generic geometric finite element model of the below knee residual limb and prosthetic socket to predict interface pressures Proceedings of Seventh World Congress of ISPO 1992 272 27 Lord M Turner Smith A Orthopedic prosthetics and orthotics in rehabilitation In Bronzino JD editor The biomedical engineering handbook Boca Raton Florida CRC Press 1995 2055 70 28 Zhang M Lord M Turner Smith AR Roberts VC Development of a non linear finite element modelling of the below knee prosthetic socket interface Med Eng Phys Vol 17 No 8 1995 pp 559 566 29 Silver Thorn MB Childress DC Parametric analysis using the finite element method to investigate prosthetic interface stresses for persons with trans tibia amputation J Rehabil Res Dev 1996 33 3 227 38 30 Zachariah SG Sanders JE Finite element estimates of interface stress in the transtibial prosthesis using gap elements are different from those using automated contact J Biomech 33 7 895 899 31 Lee WCC Zhang M Xiaohong J Cheung J Finite element
167. ncone legame costitutivo iperelastico di Mooney Rivlin femore corpo rigido bacino corpo rigido 3 differenti invasature a contenimento ischiatico realizzate secondo diverse filosofie progettuali da OSIC Carbone Rodin 4D e Tom Most materiale iperelastico Neo Hookeano AI modello completo dei tessuti biologici stato imposto uno spostamento verticale quasi statico minimizzando gli effetti inerziali per sopperire alle difficolt del software di risolvere contatti con scorrimento con superfici non inizialmente a contatto se le parti geometriche vengono movimentate in controllo di forza fino a convergenza del problema I risultati hanno permesso di definire caratteristiche differenti per tre invasature appartenenti alle stessa famiglia In particolare si evidenziata la scelta dei progettisti di creare diversi punti di supporto tra i quali anche la stessa tuberosit ischiatica nonostante questa si presupponesse scarica secondo le teorie del contenimento ischiatico Le pressioni massime ottenute sono nell ordine di 0 1 MPa nell area del triangolo femorale e 0 06 MPa nell area dell ischio Il secondo modello realizzato di tipo statico per limitare il costo computazionale considera il moncone gi inserito all interno della cuffia e questa gi inserita nell invasatura approssimazione introdotta per sopperire alle mancanze del software con le superfici di interfaccia speculari non compenetrate perdend
168. ne PRESSIONE DI CONTATTO MEDIA PIANO FRONTALE 0 12 Ome 0 1 er o __ S S 0 08 e Triangolo Femorale Z 0 06 MM o e e e e Anteriore Distale n 2 0 04 Y i e Gluteo o 0 02 ee Posteriore Distale op 0 0 10 20 30 40 50 60 70 CICLO DEL PASSO Figura 5 13 Pmedia in determinati istanti del ciclo del passo per alcune aree corporee IC OSIC Carbone 101 PRESSIONE DI CONTATTO MEDIA PIANO SAGITTALE 0 07 _o 0 06 Jos S 0 05 Si z 0 04 77 0 03 gt e Ischio f 0 02 e Laterale Distale E Gi 2 e s 0 0 10 20 30 40 50 60 70 CICLO DEL PASSO Figura 5 14 Pmedia in determinati istanti del ciclo del passo per alcune aree corporee IC OSIC Carbone PRESSIONE DI CONTATTO MEDIA PIANO TRASVERSALE 0 06 0 05 0 04 Y El PT o 0 03 e Apicale Distale 0 02 e PRESSIONE MPa 0 01 os 0 10 20 30 40 50 60 70 CICLO DEL PASSO Figura 5 15 Pmedia in determinati istanti del ciclo del passo per alcune aree corporee IC OSIC Carbone IC OSIC Carbone Pmedia MPa Istante del ciclo del passo Triangolo Femorale F 0 106 27 Estremita Distale Ant F 0 012 55 Gluteo F 0 018 58 Estremita Distale Post F 0 063 43 Ischio S 0 061 33 Estremita Distale Lat S 0 064 33 Apice Distale T 0 050 27 Tabella 5 1 valori di Pmedia ricavabili per l invasatura IC OSIC Carbo
169. ne in aree corporee di interesse ed in determinati istanti del ciclo del passo con piano di riferimento F Frontale S Sagittale T Trasversale 102 5 3 2 Invasatura a contenimento ischiatico RODIN 4D A O gt 07 xpt sad a 7 z 52 xp xi 59 ptt aspen penur span x pl a were sol ad sl 107 e 58 xp Bl open torcer port ese tm Tweet fine Line Ls 2 arapi IA a rr aia ol L ho L Figura 5 17 pressioni di contatto durante il ciclo del passo vista posteriore IC Rodin 4D z f NI 5 Figura 5 18 pressioni di contatto durante il ciclo del passo vista mediale IC Rodin 4D 103 i 34 Lig dust A AZ LS lla orn z ha e Lo Figura 5 19 pressioni di contatto durante il ciclo del passo vista laterale IC Rodin 4D Figura 5 20 pressioni di contatto durante il ciclo del passo vista dal basso IC Rodin 4D PRESSIONE DI CONTATTO MEDIA PIANO FRONTALE 0 16 0 14 0 12 0 1 0 08 0 06 0 04 0 02 0 e Triangolo Femorale e Anteriore Distale e Posteriore Distale PRESSIONE MPa e Gluteo 0 10 20 30 40 50 60 70 CICLO DEL PASSO Figura 5 21 Pmedia in determinati istanti del ciclo del passo per alcune aree corporee IC Rodin 4D 104 PRESSIONE MPa PRESSIONE MPa PRESSIONE DI CONTATTO MEDIA PIANO SAGITTALE 0 09 0 08 oe 0 07 0 06 o eo 0 05 Y A 0 04 hd
170. ne reale 128 CONCLUSIONI I risultati emersi dagli studi effettuati in questo lavoro possono offrire un quadro generale di difficolta oggettiva nella ricerca dell accoppiamento ottimale all interfaccia tra un ausilio protesico ed il moncone sono molte infatti le variabili che dovrebbero essere considerate e sulle quali il controllo in realta non possibile Si pensi per esempio alle condizioni di idratazione corporea variabili durante la giornata e causa di modifiche nella forma esterna del moncone oppure volendo pensare ad un intervallo di tempo pi ampio e con risultati pi importanti sulla geometria dell accoppiamento alla modifica delle percentuali di massa magra e massa grassa variabili con l allenamento I risultati in quest ultimo caso per esempio non sono prevedibili ex ante poich lo stesso stimolo allenante applicato a due individui diversi produce trasformazioni nella morfologia corporea molto differenti Inoltre va considerato che a causa del basso livello di attivit fisica e probabilmente della vita sedentaria dei pazienti amputati tutti questi fattori comportano risultati amplificati rispetto ad un individuo normodotato La particolarit di questo tipo di accoppiamento meccanico risiede quindi nel fatto che da un lato dell interfaccia si ha una struttura rigida o semirigida l invasatura e dall altro lato una struttura composta da tessuto molle di natura biologica non omogeneo come composizione aniso
171. nere in considerazione durante lo svolgimento dello step successivo della simulazione ovvero l applicazione di carichi o combinazione di carichi e momenti articolari La parte preponderante della letteratura scientifica affronta il problema da un punto di vista di piccole deformazioni tramite l uso di algoritmi di automated contact il cui funzionamento accennato nel paragrafo precedente oppure in assenza di questi imponendo spostamenti radiali ai nodi della mesh del moncone calcolando il solo sforzo pressorio derivante e tralasciando gli sforzi tangenziali poich non ottenibili con un approssimazione di questo tipo Un metodo completamente differente viene presentato da Lacroix et al in un lavoro 55 molto recente pubblicato nel 2011 dal titolo Finite Element Analysis of Donning Procedure of a Prosthetic Transfemoral Socket Gli autori concentrandosi solo sull area distale del moncone e dell invasatura di cui non si conosce la tipologia ma si ipotizza a contenimento ischiatico dalle immagini digitali hanno proceduto a simulare la calzata del socket partendo da una condizione iniziale di geometrie non a contatto fig 3 8 tramite il modulo EXPLICIT di ABAQUS AI fine risolvere il contatto stata imposto sulla geometria dell invasatura uno spostamento approccio quasi statico mm Sec minimizzando gli effetti inerziali mantenendo l insieme moncone femore fisso nello verticale verso l alto ad una v
172. nful for the patient avoiding the onset of inflammatory states or pathological conditions due to excess pressure or tangential stresses Often unfortunately the prosthetic centers don t propose it to patients and often when proposed is rejected since it sold at a high price it is useful to remember that in case of transfemoral amputations is not provided as a benefit paid by the National Health System The analysis and characterization of the contact object of study of this thesis is to identify the critical areas where there is an abnormal accumulation soft tissue of stresses whether pressure ones or tangential ones In literature it is possible to find mainly three different approaches for solving this problem computational methods they presuppose the application through analytical or numerical calculus of an algorithm the analytical method is used in simple cases according to the laws of the theory of structures and mechanic of solids whereas the numerical method is used for all those situations in which the exact solution is not known or not calculable because too complex to find This topic will be discussed more precisely hereinafter Experimental methods realized providing with sensors the stump or the socket and noting values of interest which in this case the contact pressure or tensile forces Wanting to focus on pressure measurement conforming to the classification given by Sanders there are currently used four type
173. nt numerical data which can help the medical research to find new solutions or improve the old ones with the purpose to show to the patient that the critical moment he s living is not the end of his life but a new start In 2003 study the Louisiana State University Health Sciences Centre paints a wide concerning sheet every year in the world there is an average between 200 000 and 300 000 new amputations and most of them came from Third World countries Making a comparison between this number and the growing rate of world population now 1 04 on a population of 7 200 000 000 it is possible to properly frame the seriousness of this problem Analyzing the situation from epidemiological point of view one must distinguish between First World especially Italy and USA Second and Third World In the poorer countries such as Africans far and middle east and Balcanical ones the statistics shows that most of people lost their limb due to armed conflict or due to unexploded landmines Focusing on First World countries in spite of the different causes of amputations the numbers are as much alarming In the United States which is the third most populated country after China and India and where lives 320 000 000 people with an average age of 37 7 years old there are about 70 000 new amputate every year 60 000 of a lower limb and 15 000 transfemoral amputation Analyzing the causes of amputation we can discover that the 54 of this 60 000 lower limb a
174. nte Pre processing il software dotato di GUI dedicato a questa fase PreView con il quale si va a realizzare il modello geometrico o lo si importa in uno dei formati di compatibilit si vanno a scegliere le condizioni al contorno e di carico il tipo di analisi statica vs dinamica piccole deformazioni vs grandi deformazioni e si vanno ad impostare tutti i parametri concernenti l analisi stessa Solving il software in ambiente DOS dedicato a questa fase FEBio il quale ricevendo in input un file con estensione nativa feb proveniente dal pre processor contenente i dati del modello ne stima la soluzione approssimata Post processing il software anch esso dotato di GUI dedicato a questa fase PostView con il quale si in grado di visualizzare risultati ottenuti ed esportare eventuali dati che si rende necessario processare in altri ambienti software Con riferimento a quanto appena detto all interno di ognuna delle singole analisi che verranno trattate all interno di questo lavoro di tesi si stabilito di utilizzare il seguente schema operativo 1 Creazione delle singole parti e meshatura delle stesse utilizzando il pre processor interno alla software suite in caso di geometrie semplici oppure tramite software esterni in caso di geometrie complesse utilizzo combinato di Rhinoceros VS SR6 Geomagic Studio 2013 ed Altair Hypermesh V13 0 con successiva importazione 66 all interno di Pre View de
175. nterfaccia in funzione dell allineamento sul piano frontale al 33 del ciclo del passo per le differenti tipologie di invasatura in esame 63 DEL CICLO DEL PASSO 0 0120 T e ex _ _ _ _ _ _ _ _ _amo 0 0080 B es ee e I 7 e E 0 0040 A 0 0020 0 0000 8 6 4 2 0 2 4 6 8 ADDUCTION ABDUCTION e ICOSIC e IC RODIN4D e ICTOMMOST QUAD e MAS Figura 5 57 pressione di interfaccia in funzione dell allineamento sul piano frontale al 63 del ciclo del passo per le differenti tipologie di invasatura in esame 5 7 1 Analisi dei risultati Nel corso del secondo capitolo si discussa l importanza fondamentale dell allineamento dei componenti protesici sia durante la fase ortostatica che durante la fase dinamica con questa modifica al modello originale si provato a verificare se vi fosse la condizione per ricreare quanto verificato in molti dei lavori reperibili in letteratura ovvero la necessit di 127 una messa a punto dell invasatura in posizione iniziale addotta al fine di rendere il cammino pi confortevole per il paziente amputato eliminando la tipica camminata con segno di Trendelenburg ed inclinazione del busto verso l arto amputato Da un attenta analisi delle fig 5 56 e 5 57 possibile estrarre le seguenti considerazioni non possibile ricavare una vera e propria dipendenza geometrica del modello p
176. nti descrivibile secondo l equazione 4 2 u 4 A Q3 da 1 gt e Ae Q7 o cf 4 2 W 2 Qio 11 2 con u V W spostamenti dei nodi dell elemento lungo x y Z a parametri incogniti da determinare ed esprimere in dipendenza delle funzioni di forma Questo tipo di elemento data la sua natura lineare mantiene i suoi lati piani anche in 68 seguito a deformazioni proprio per questo non si ha un buon adattamento nella descrizione di fenomeni legati a momenti flettenti momenti torcenti o elevati gradienti di deformazione Un miglioramento del comportamento si pu avere con l utilizzo del tetraedro del secondo ordine a 10 nodi con un computo totale di 30 gdl in questo caso il campo di spostamento descritto dal sistema caratteristico consente una miglior risposta ad elevati gradienti di deformazione a causa della presenza di termini quadratici che permette agli spigoli del solido di assumere forma curvilinea con quindi deformazione lineare N N x v Qi M2 3 dia Qis 6 Q17 Arg M9 Ay9 Y 4 3 u Ad a a3 Aq As Age Az Ag Ag Qio a a a a a a a a a a yz W 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 x Z Ksaedri o bricks elementi tridimensionali discretizzati con 8 nodi se del primo ordine Hex8 con un totale di 24 gdl con presenza di termini lineari quadratici o cubici nella definizione del campo di spostamenti o 20 nodi se del secondo ordine Hex20 con un totale di 60 gdl con presenza di elementi l
177. ntification of above knee prosthesis socket Proceedings of the Fourth International ANSYS Conference and Exhibition Pittsburg 1989 12 31 12 44 39 Brennan JM Childress DS Finite element and experimental investigation of above knee amputee limb prosthesis systems a comparative study ASME Advances in Bioengineering 1991 BED 20 547 50 40 Torres Moreno R Biomechanical analysis of the interaction between the above knee residual limb and the prosthetic socket Ph D Dissertation University of Strathclyde 1991 41 Mak AFT Yu YM Hong LM Chan C Finite element models for analyses of stresses within above knee stumps Proceedings of 7th World Congress of ISPO Chicago 1992 147 42 Lee VSP Solomonidis SE Spence WD Biomechanical modelling of the interface between residual limb prosthesis interface for trans femoral amputees using finite element analysis Proceedings of the Eighth International Conference on Biomedical Engineering Singapore 1994 333 5 43 Zhang M Mak AFT Finite element analyses of the stump end loadbearing on above knee prosthetic socket Proceedings of an International Conference on Biomedical Engineering Hong Kong 1996 94 7 44 Silver Thorn MB Steege JW Childress DS A review of prosthetic interface stress investigations Journal of Rehabilitation Research and Development Vol 33 No 3 July 1996 pp 253 266 45 Zhang M Mak AFT Roberts VC Finite element modelling of a residual lower limb in a prosthe
178. numerico che sia in grado di rappresentare in modo affidabile ci che avviene nella realt e che normalmente richiederebbe la ricerca della soluzione esatta di equazioni differenziali alle derivate parziali La nascita dal punto di vista storico dello stesso pu essere collocata all inizio del 1900 grazie all ingegnere e matematico russo Gal rkin 1891 1945 che forn una struttura di calcolo utile per risolvere particolari problemi definiti da equazioni differenziali passando da un dominio continuo forma forte del problema ad un dominio discreto caratterizzato da un sistema di equazioni algebriche forma debole Successivamente negli anni 30 con i lavori di Duncan W J e Collar A R 591 venne introdotta una forma primitiva di elemento strutturale nella risoluzione di problemi sull aeroelasticit e pi tardi ancora durante il corso degli anni 40 Hrennikoff A e Courant R seppur lavorando con approcci diversi giunsero alla stessa conclusione ovvero la necessit di discretizzare un problema continuo suddividendo il dominio in un insieme di sottodomini discreti per la soluzione di equazioni differenziali alle derivate parziali Tuttavia la vera e propria nascita del metodo agli elementi finiti va collocata nella seconda met degli anni 50 grazie al contributo di Turner M J The Boeing Company che formul il Direct Stiffness Method primo effettivo approccio agli elementi finiti nel campo del continuo applicato
179. nvasatura ed imponendo uno spostamento all assembly moncone femore bacino con le parti nella condizione iniziale non a contatto reciproco La differenza sostanziale rispetto al lavoro esaminato risiede nella complessit del modello la simulazione della calzata del socket realizzata da Lacroix et al venne creata per studiare l interazione tra la sola parte distale del moncone comprensivo di femore con l invasatura mentre all interno del nostro lavoro si utilizzato come precedentemente descritto un modello anatomico il pi possibile completo comprensivo di bacino femore ed un moncone completo con compresa la forma del gluteo Ele Edt Create Physics Tools View Heb O REANO do TARA E EEx DB Faesdispiacementi 2 A PrescribedDspiscement ab Londs de Contact Constraints El a Steg01 s gt le Scs E se tb Loads LI A El amp Contact 4 BY Contatto Rigido Femore Tessuti ne poc its cios inni 5 Step Mame Step CS S Type Structural Mechanics Ds Ready Figura 4 14 assembly del modello realizzato per l analisi della calzata del socket Le tipologie di condizioni di contatto utilizzate per questo modello sono state le seguenti Rigid Interface applicata tra le superfici esterne delle parti ossee femore e bacino e le cavit create tramite operazioni booleane nei tessuti molli tramite il software Rhinoceros V3 SR6 in modo da trasmettere mutualmente tra le su
180. nziali le sole pressioni di contatto Il modello completo che consenta di tener conto di tutte le variabili possibili per una corretta analisi della mutua interazione tra moncone e socket necessiterebbe della presenza dei seguenti elementi che siano ottenuti per la parte anatomica da un soggetto un bacino possibilmente comprensivo dell estremit distale del rachide un femore che sia accoppiato nel giunto dell enartrosi coxo femorale con il bacino un moncone di cui si sia a conoscenza della composizione tissutale muscolo tendine grasso connettivo e della quale ne sia nota la disposizione spaziale all interno del volume un rectified socket che sia realizzato da un operatore CAD e modificato da un protesista sulle forme del moncone in modo da poterne studiare l interazione 74 Per quanto riguarda le parti anatomiche sopra descritte bacino femore e moncone si sono ottenute in formato igs da una free repository di modelli anatomici 3D Le invasature scelte per questo modello sono di tipo a contenimento ischiatico create da tre differenti realizzatori a cui stato inviato il modello del moncone in formato stl Tom Most realizzatore statunitense di modelli tridimensionali nonch operatore CAD presso un laboratorio di un tecnico ortopedico a E la El BSDS EELEE Figura 4 8 modello digitale di invasatura IC Tom Most Rodin 4D factory francese che realizza sia sistemi di acq
181. o di 260 mm in un intervallo temporale di 30s in 100 step da 0 3s mantenendo quindi una velocita di discesa di 8 63 per minimizzare gli effetti inerziali 4 4 MODELLIZZAZIONE DEL CONTATTO TRA MONCONE ED INVASATURA DURANTE IL CAMMINO La costruzione del modello per la ricerca delle pressioni di contatto durante il ciclo del passo Il vero punto nevralgico di tutto questo lavoro di tesi nasce a questo punto la necessit di bilanciare due esigenze da un lato quella di mantenere uno stretto contatto con la realt e dall altro il poter introdurre delle semplificazioni che permettano di ridurre dato l ampio numero di simulazioni necessarie il costo computazionale altrimenti elevatissimo AI fine di realizzare ed assemblare del modello si partiti dalle geometrie di cinque invasature suddivise nelle seguenti tipologie tre invasature a contenimento ischiatico gi utilizzate per il modello della calzata fig 4 8 4 10 una invasatura quadrilaterale fe Superf Poligon ra A BLA 3 7 o g gt map Semia Registra Roc sodro Buborazione texture coordinate atch ore tic Figura 4 15 modello digitale di invasatura quadrilaterale 82 una invasatura MAS Triangoli conent 105 372 Triangoli selezionati 0 Figura 4 16 modello digitale di invasatura MAS Un attenta analisi delle due tipologie aggiuntive sul piano coronale quadrilaterale in fig 4 15 e MAS in fig 4 16 conferma q
182. o adiposo tessuto cartilagineo articolare tessuto tendineo tessuto osseo tessuto legamentoso tessuto cutaneo a sua volta composto da tre strati e epidermide strato pi superficiale e derma strato intermedio e ipoderma strato pi profondo Volendo analizzarli singolarmente tutti questi presentano caratteristiche complesse da modellizzare come la non omogeneit tessuto adiposo l anisotropia e la viscoelasticit tessuto osseo la poroelasticit tessuto cartilagineo la dipendenza dallo stato contrattile tessuto muscolare con caratteristiche non lineari e spazio tempo carico varianti Una modellizzazione che tenga conto di legami costitutivi complessi sarebbe adeguata per lavori che abbiano come scopo la caratterizzazione meccanica o lo studio del singolo materialel 521 ma non per la realizzazione di un modello agli elementi finiti per l analisi del contatto tra invasatura e moncone dove si andrebbe sicuramente a favore della riduzione dell errore tra la soluzione approssimata a quella reale ma si renderebbe necessaria l individuazione delle strutture relative alle geometrie di ognuno di questi tessuti con incremento del numero degli elementi della mesh e conseguentemente del costo computazionale Scorrendo le scelte degli autori quella fatta con maggior frequenza per i tessuti molli stata di considerarli come un volume omogeneo composto da un solo materiale elastico lineare isotropo con le segu
183. o dei componenti del modello della calzata del socket una delle difficolt principali di questo lavoro di tesi poich oltre ad una sorta di arbitrariet nella scelta stessa basata principalmente su assunzioni di correlazione tra il comportamento reale e ci che si vorrebbe modellizzare in parallelo si ha la necessit di assegnare 1 corretti valori ai vari parametri che compongono i legami costitutivi Con riferimento ai modelli implementati dai programmatori in FEBio fig 4 11 si andranno ora ad discutere per ognuna delle parti geometriche le associazioni stabilite 16 http www osic carbone com 76 sun Voce piate oe Decougied ezo east on Bodare Ada e Grey Load Library Seve Lirery Canon Figura 4 11 menu di scelta in cui possibile vedere alcuni dei modelli costitutivi presenti in FEBio Per il tessuto osseo femore e bacino si utilizzato il modello rigid body ovvero un corpo indeformabile I presupposti di questa scelta derivano dal fatto che non vi fosse la necessit di studiare lo stato di sforzo deformazione interno a queste parti aiutando il risolutore a raggiungere la convergenza poich cos facendo si va ad eliminare un buon numero di incognite dal sistema descritto dall equazione 4 1 e poich l ordine di grandezza del modulo Young dei materiali in questione se confrontato con quello dei tessuti di cui si trova all interfaccia molto maggiore Inoltre appl
184. o di Young un coefficiente di sensitivita che permetta noti dei valori di riferimento per la pressione di contatto in questo caso quelli relativi ad un liner in gel di silicone di prevedere tramite una relazione lineare ricavata sperimentalmente il comportamento di altri materiali di modulo elastico noto Osservando le fig 5 51 5 55 si puo notare la presenza di artefatti ed aree di non contatto in cui in realt coerentemente con i carichi applicati in cui questo dovrebbe in realt essere presente dovuti anche in questo caso al risolutore FEBio in questo caso si provato a modificare il valore di penalty richiesto per lo sliding contact non ottenendo alcun risultato se non la conclusione anticipata della simulazione a causa di continui Jacobiani negativi Si noti per esempio in alcune zone delle color maps sopra indicate la presenza di strisce senza colore all interno di zone colorate ad una prima impressione potrebbero sembrare causate da una mesh scadente ma anche in questo caso una serie di affinamenti sulla stessa hanno solo avuto come effetto l aumento del costo computazionale senza portare alcun beneficio L impressione che si pu ricavare che il software abbia difficolt a risolvere contatti di tipo sliding tra corpi rigidi invasatura moncone e corpi deformabili con un modulo di Young nell ordine di grandezza del MPa il suggerimento degli sviluppatori nel caso di condizioni al contorno di scorrimento di accop
185. o quindi la possibilit di valutare il precarico In particolare la cuffia stata utilizzata come elemento sensibile in grado di misurare le pressioni di contatto tra invasatura e moncone Le geometrie utilizzate sono le seguenti moncone rigid body cuffia legame costitutivo iperelastico Neo Hookeano con le caratteristiche del gel di silicone cinque invasature tre a contenimento ischiatico utilizzate per il primo modello una quadrilaterale ed una MAS rigid body Al modello stato applicato un pattern di carichi e momenti articolari ricavati dalla gait analysis di un paziente con amputazione femorale in istanti di particolare interesse principalmente in corrispondenza dei massimi di ogni componente di forza o momento Inoltre al fine di valutare la bonta di adattamento del software a variazioni dei parametri di input si sono realizzate ulteriori 3 simulazioni in cui si sono operate le seguenti modifiche al modello di partenza variazione nello spessore dell elemento sensibile variazione nel materiale dell elemento sensibile variazione nei momenti articolari massimi con deviazione standard del 10 variazione nell allineamento del modello sul piano frontale I risultati permettono di proseguire la caratterizzazione delle invasature a contenimento ischiatico eseguita con l analisi della calzata le aree in cui si trova accumulo di sforzi pressori sono coerenti con le previsioni teoriche che possono
186. o specifico ed 1 risultati molto differenti per prove apparentemente molto simili e ripetute in intervalli di tempo brevi si possono trovare in letteratura range di variabilit dei valori delle pressioni pari anche al 400 per misurazioni nella stessa area fanno pensare che le metodologie usate necessitano affinamento per la risoluzione di questo specifico problema 3 3 LE INTERVISTE CON QUESTIONARIO L ultima tipologia operativa che si andr brevemente a descrivere principalmente usata nell ambito clinico dagli staff medici mentre in ambito tecnico viene spesso accantonata poich non in grado di fornire numeri certi riguardo alle variabili di interesse ma solo dati qualitativi postumi ed basata sull uso di questionari sottoposti ai pazienti al fine di misurare il grado di comfort quando la protesi indossata Il questionario validato pi utilizzato per pazienti amputati transfemorali noto come Q TFA ed composto da un totale di 70 domande 56 a cui in base alla risposte date dal paziente si associa un punteggio compreso tra 0 e 100 e 14 in grado di fornire un solo dato descrittivo e sono divise nelle seguenti categorie prosthetic use score composta da 2 domande con l utilit di quantificare il numero di ore settimanali in cui il paziente indossa la protesi prosthetic mobility score composta da 19 domande di cui 12 riguardanti sia l abilit 61 che la performance del paziente nell utilizzo dell
187. o vengono ripartiti tra le ortopedie del distretto bolognese circa il 50 e quelle del resto d Italia per il restante 50 Per analizzare le principali cause la loro evoluzione e la loro incidenza rispetto alla popolazione italiana utile partire dalla Ha Guerra Mondiale periodo in cui sia tra la popolazione civile che tra l esercito si ebbe una preponderanza di amputati da causa traumatica o in seguito ad infezioni contratte su ferite dovute agli scontri armati e sviluppatesi per le precarie condizioni igieniche In realt difficile ottenere una statistica attendibile sia riguardo al numero che alla distribuzione delle cause dal momento che la presenza stessa del conflitto globale spostava la spesa pubblica verso le spese militari in genere togliendo fondi destinati alle ricerche nell ambito sociale 90 donne uomini 80 70 60 50 40 30 20 10 0 1951 1961 1971 1981 1991 2001 2011 Figura 1 4 aumento dell aspettativa di vita in Italia nel periodo 1950 2011 A distanza di circa 40 anni dal secondo Conflitto Mondiale anni 80 in un periodo di rinnovato benessere sociale ai massimi dal dopoguerra la causa principale delle amputazioni si spost verso le complicanze di tipo vascolare secondarie a patologie croniche come il diabete facendo calare il numero delle amputazioni dovute ad eventi traumatici le quali tuttavia resistevano a causa di incidenti sul lavoro e traumi da incidente stradale Ad oggi lo sviluppo d
188. oce Rossa http www icrc org eng 5 Zanoli R Gandolfi M Guerzoni PL Deformita congenite degli arti Cappelli Ed 6 Nikolajsen L Jensen TS Phantom limb pain Br J Anaesth 87 2001 pp 107 116 7 Molotkoff AG The source of pain in amputation stumps in relation to the rational treatment J Bone Joint Surg Am 1935 Apr 01 17 2 419 423 8 Crawford CS From pleasure to pain The role of the MPQ in the language of phantom limb pain Social Science and Medicine 69 5 2009 655 61 9 Rasmussen KG Rummans TA Electroconvulsive therapy for phantom limb pain Pain Volume 85 Issues 1 2 1 March 2000 Pages 297 299 10 Murray C Patchick EL Caillette F Howard TJL Pettifer S Can immersive virtual reality reduce phantom limb pain Proceedings of Medicine Meets Virtual Reality 14 pages 407 412 2006 11 http www salute gov it imgs c_17 paginearee 1312 listafile itemname 0 file pdf 12 Massari A Pierluigi D Sanit lo scandalo dei prezzi di protesi e ausili Quando lo Stato paga pi del privato Il Fatto Quotidiano 17 Giugno 2013 13 Dale A Non ischial weight bearing soft socket design Orthotics And Prosthetics Vol 40 No 2 1986 pp 43 48 14 Schuch CM Transfemoral amputation prosthetic management Atlas of Limb Prosthetics Surgical Prosthetic and Rehabilitation Principles Chapter 20B 15 Long IA Normal shape normal alignment NSNA above the knee prosthesis Clin Prostet Orthot No 9 pp
189. of finite element results with experimental measurements J Rehabil Res Dev 1993 30 2 191 204 54 Sokoloff L E asticity of articular cartilage Fed Proc Am Soc Exp Biol 1 966 25 1089 95 55 Hayes EC Keer LM Herrmann G Mockros LF A mathematical analysis for indentation0 tests of articular cartilage J Biomech 1972 5 541 51 56 Dassault Systemes ABAQUS User s Manual ABAQUS MANUAL 34 3 1 pp 294 313 57 Naylor PFD The skin surface and friction Br J Dermatol 1955 67 pp 240 248 58 Quesada P Skinner HB Analysis of a below knee patellar tendon bearing prosthesis a finite element study J Rehab Res Dev 1991 3 1 12 59 De Leva P Adjustments to Zatsiorsky Seluyanov s segment inertia parameters Journal of Biomechanics 1996 Vol 29 9 pp 1223 1230 60 Sanders JE Greve JM Mitchell SB Zachariah SG Material properties of commonly used interface materials and their static coefficients of friction with skin and socks J Rehabil Res Dev 1998 35 2 161 76 61 Appoldt FA Bennett L Contini R The results of slip measurements in above knee suction sockets Bull Prosthet Res 1968 Fall 106 12 140 62 Sanders JE Interface mechanics in external prosthetics review of interface stress measurement techniques Med Biol Eng Comput 1995 33 509 16 63 Lee VSP Solomonidis E Spence WD Stump socket interface pressure as an aid to socket design in prostheses for trans femoral amputees a preliminary study 64 Hagberg
190. oich per tutte le invasature in esame ad una variazione nell allineamento si associa una variazione lineare della pressione seppur con sensitivit differente di ogni invasatura alla variazione angolare sul piano frontale Si noti per esempio come le pressioni sull estremit distale dei tessuti biologici nel caso dell invasatura MAS non risentano di variazioni nell allineamento probabilmente a causa della caratteristiche progettuali del device stesso che ricordiamo ricopre molto meno i tessuti se confrontato ad altre tipologie mentre la sensitivit maggiore si ha nel caso delle invasature QUADRILATERALI oggetto di studio di Ivan Long proprio sull allineamento ed a contenimento ischiatico realizzate da Rodin 4D molto sagomata nella parte del gluteo tanto da ricordare quasi un socket di tipo quadrilaterale in quell area e TOM MOST molto stretta nella parte distale se confrontata alle altre il comportamento che si ricava dai grafici anomalo per tutte le invasature ad esclusione della MAS avendo questa dimostrato sensibilit nulla alla variazione dell allineamento poich si pu notare che le pressioni sull estremit distale del moncone aumentino con l invasatura addotta mentre diminuiscano se abdotta questo risultato corretto geometricamente ma non fisiologicamente va contro 1 dati ottenuti da chi ha studiato le varie configurazioni di allineamento nel corso degli anni volendo ricercare una motivazione rel
191. olume ovvero si considerata come condizione di non comprimibilit una variazione nulla del volume relativo del provino durante la prova di K febi compressione Osservando la fig 5 1 questo avviene per a 1000 linea nera 1 Inoltre considerando quanto affermato dagli sviluppatori riguardo alla corretta implementazione del modello di Mooney Rivlin solo per materiali incomprimibili si deciso di verificare il legame C a Osservando la fig 5 2 possibile a prima vista notare come il legame appena descritto non sia rispettato in caso di materiale comprimibile poich il modulo di Young ricavabile dal grafico risulta variabile in base al rapporto Sresi 1 Volendo valutare se si presentasse un comportamento non formalmente corretto anche per gli incomprimibili ci si posizionati sulla prima curva che stia a rappresentare la 96 Cy del materiale risultato pari ad Emp 0 0398 MPa quindi differente da E 0 03 MPa utilizzato per calcolare il valore di G e quindi di C1 Per trovare se ci fosse una correlazione ricorrente tra 1 dati di input e di output si ripetuta caratteristica come prima detto 1000 calcolando quale fosse il modulo di Young la prova di compressione modificando il legame costitutivo del provino in questo caso impostato come Neo Hookean con due differenti valori di modulo di Young in modo da non avere un solo termine di confronto E 0 03 MPa E 0 06 MPa Il risultato in fig 5 3 permett
192. ome prestazione a carico del Sistema Sanitario Nazionale L analisi e la caratterizzazione del contatto oggetto di studio di questo lavoro di tesi consiste nell individuare quali siano le aree critiche in cui si vi sia un accumulo anomalo per 1 tessuti molli di sforzi siano essi pressori o tangenziali In letteratura possibile trovare principalmente tre differenti approcci per la risoluzione di questo problema metodi computazionali presuppongono l applicazione tramite calcolo analitico o numerico di un algoritmo il metodo analitico viene utilizzato nei casi pi semplici III secondo le leggi della scienza delle costruzioni mentre il metodo numerico viene utilizzato per tutte quelle situazioni in cui la soluzione esatta non sia nota o non calcolabile perch troppo complessa Questi verranno discussi in modo pi preciso in seguito metodi sperimentali si attuano sensorizzando il moncone o l invasatura e rilevando valori di interesse quali nel caso in esame le pressioni di contatto o gli sforzi tangenziali Volendo concentrarsi sulla misura degli sforzi pressori uniformandosi alla classificazione data da Sanders si utilizzano attualmente quattro tipi di trasduttori per misurare questa grandezza a fluido meccanici estensimetrici oppure integrated circuit sheets I primi tre tipi vengono messi in opera inserendoli attraverso l invasatura che deve essere quindi forata danneggiandola e rendendola non pi utilizzabi
193. omenti articolari correlato un aumento delle pressioni agenti sull area di interesse del moncone Si proceduto quindi a calcolare i seguenti valori previsti per le altre invasature con la seguente relazione 5 2 P t Prif Spam 10 1 Prif 5 2 I valori calcolati sperimentalmente sono stati poi confrontati con quelli ricavati dal post processing del modello implementato in FEBio andando poi a calcolare l errore percentuale medio compiuto rispetto al calcolo compiuto dal software assunto come riferimento esatto 125 in modo da verificare la veridicit delle ipotesi formulate in precedenza Sulla base dei dati a disposizione il risultato stato il seguente si veda 1 Appendice A per il calcolo esplicito delle grandezze a partire dei coefficienti ricavati per l invasatura OSIC INVASATURA e medio DEV STD dell ex TIPO DI ERRORE Rodin 4D 1 97 0 032 sovrastima Tom Most 2 09 0 026 sovrastima Quadrilaterale 1 77 0 030 sovrastima MAS 2 92 0 030 sovrastima Tabella 5 8 errore percentuale medio deviazione standard dell errore percentuale e tipo di errore sottostima sovrastima per i valori di pressione stimati rispetto ai valori calcolati da FEBio Analizzando 1 risultati ottenuti si pu osservare come esista una piccola dipendenza dalla geometria delle diverse invasature con valori che vengono sovrastimati secondi percentuali comprese tra il 2 ed il 3 Il valore calcolato per l error
194. on gait analysis di un paziente con amputazione transfemorale 87 ANGu Rav Raar Rama Mointrextr Mappisp MFLEX EXT ISTANTE IN IN IN N mm Nmm N mm 10 12 1 116 2 10 1 2 5 2700 1700 31100 16 8 1 410 2 34 22 4900 13000 65000 23 4 8 529 2 15 7 38 3 5500 35600 68400 27 0 1 597 6 4 2 47 3 5800 47100 58600 33 0 1 547 4 1 46 1 4500 48300 33600 43 7 5 625 4 2 7 56 8 1500 47800 26900 52 8 2 456 2 21 8 41 5 600 29800 8200 55 8 7 272 7 8 1 29 3 700 18100 9400 58 8 5 103 8 1 4 12 2 600 4600 19100 63 7 6 0 0 1 9 5 200 9000 19200 Convenzione Basso Post Med Extrarot Abdutt Estens Tabella 4 3 carichi e momenti utilizzati per il contatto durante il cammino con convenzione dei segni 4 5 PROVE DI SENSITIVITA DEL MODELLO A VARIAZIONE DEI PARAMETRI DI INGRESSO La software suite FEBio durante l utilizzo ha presentato come gi spiegato precedentemente ad esempio per l attrito diverse problematiche che possono rendere il risultato ottenuto non conforme alla realt Si presenta quindi la necessit di valutare come il modello realizzato si adatti a variazioni dei parametri di ingresso al fine di raggiungere questo risultato si tentato di stabilire un contatto con la realt stessa ricercando non solo dati numerici differenti da inserire ma anche un nesso tra le variazioni degli stessi e modifiche attuabili a livello tecnico alle comp
195. one utilizzata ad oggi solo per pazienti geriatrici a basso livello di attivit o bambini rappresenta la tecnologia pi datata permette il mantenimento del moncone in loco senza riuscire a contrastare efficacemente il pistoning Si utilizza per la sospensione l effetto della forza d attrito che si sviluppa nel contatto tra cuffia ed invasatura con l ausilio di una cintura ancorata all estremit prossimale del socket e nel caso di protesi transfemorali alla pelvi del paziente pin shuttle lock sistema di connessione formato da una cuffia dotata di un chiodo pin da verificare a carico di punta sull apice distale da inserire nello shuttle lock presente nell invasatura Lo sblocco avviene tramite un meccanismo a pressione vacuum a valvola passiva sistema a vuoto formato da cuffia e valvola pneumatica di non ritorno installata sul socket L aria in eccesso presente tra invasatura e cuffia viene espulsa attraverso la valvola ad una via per effetto del peso del paziente di solito necessita un ciclo di 5 10 passi per effettuare l estrazione di tutta l aria residua vacuum assistito attivamente sistema a vuoto con cuffia valvola di non ritorno e pompa elettrica a depressione Realizzato per la prima volta da Carl Caspers negli anni 60 dopo aver osservato un residuo di effetto pistoning con l utilizzo del sistema 8 Ritardo 39 vacuum a valvola passiva unisce al sistema sopra descritto una pompa a depressione
196. one del tessuto cutaneo unito a variazione locale degli spessori e delle distribuzioni dei tessuti molli cause di rischio di variazione nell assetto del contatto tra invasatura e moncone il non utilizzo della cuffia scorrendo tra le voci del Nomenclatore Tariffario si pu notare che nel caso di protesi transfemorali a differenza delle transtibiali e delle disarticolazioni di ginocchio non vi sia la cuffia tra le prestazioni a carico del Sistema Sanitario Nazionale Spesso la stessa non viene proposta da chi deve realizzare materialmente la protesi o se proposta viene rifiutata dal paziente a causa Cit da paziente di sesso femminile amputata transfemorale 41 Figura 2 29 a pachidermia b abrasione causata da eccesso di attrito e arrossamento da infezione micotica d necrosi tissutale estesa e dermatite da contatto f dermatite da contatto g iperplasia verrucosa h ulcera con necrosi tissutale causata da eccesso di pressione i dermatite con follicolite 42 del costo a proprio carico nello specifico la situazione economica attuale del Paese influenza questo aspetto Una scelta di questo tipo pu comportare sia danni tissutali di tipo meccanico sia nascita ed accrescimento di colonie batteriche a causa di condizioni di idratazione non ottimali il non corretto allineamento non importa quanto i componenti di una protesi siano sofisticati e tecnologicamente avanzati o quanto bene essa sia assemblata poich senza un
197. onenti oggetto di studio es variazione dello spessore e materiale della cuffia Il modello che si scelto di utilizzare per valutare queste condizioni alternative quello costruito per l analisi dell interazione durante il cammino poich meno dispendioso a livello di costo computazionale grazie alla presenza di meno elementi nel complesso tre di cui due rigid body 4 5 1 Spessore dell elemento sensibile Nel corso della prima prova al fine di valutare il comportamento e l adattamento del modello a variazioni dello spessore dell elemento sensibile tramite l ausilio del software Geomagic Studio 2013 si sono estratte le forme delle cuffie negli ulteriori spessori commerciali di 3 88 mm e 9 mm per le seguenti invasature a contenimento ischiatico OSIC Carbone quadrilaterale MAS Per quanto riguarda le altre due invasature a contenimento ischiatico Tom Most e Rodin 4D alcuni problemi con il software Geomagic Studio 2013 non hanno purtroppo consentito l estrazione delle geometrie necessarie Una volta assemblato il modello completo si compiuta una simulazione utilizzando i carichi relativi al 27 del ciclo del passo scelta tra quelle precedentemente utilizzate poich in questa si sono raggiunti i picchi massimi per il valore della pressione di contatto elencati precedentemente in tab 4 3 4 5 2 Materiale dell elemento sensibile Nel corso del secondo capitolo quando si sono descritti 1 liner si
198. onsiderazione fatta riguardo all arbitrariet degli stessi per il calcolo dell auto penalty E 0 03 MPa v 0 499 densita 0 analisi di tipo statico La cuffia meshata con circa 350 000 tetraedri del primo ordine dovendo comportarsi come strumento di misura si modellizzata come un materiale elastico Neo Hookean con le caratteristiche meccaniche del gel di silicone ovvero E iniconb 0 38 MPa Usilicone 0 39 4 4 2 Condizioni al contorno di interazione Il modello stato preparato con le parti geometriche inizialmente a contatto con posizione angolare sul piano sagittale differente a seconda dell istante del ciclo del passo considerato I contatti utilizzati per tutte le simulazioni di questo modello sono i seguenti Tied Interface fig 4 18 applicata tra la superficie interna della cuffia e la 85 superficie esterna del moncone la scelta di questa condizione basata sul fatto che la cuffia una volta indossata sul moncone presenti una condizione di no slip senza possibilita di scorrimento relativo tra le due interfacce in alternativa con pari costo computazionale si sarebbe potuto utilizzare una Rigid Interface poich le due meshes sono di tipo conforming ed uno dei due elementi un rigid body Sliding Interface applicata tra la superficie esterna della cuffia e la superficie interna del moncone nonostante l assenza del modello di attrito questo tipo di vincolo viene utilizzato come nel
199. ori o soli carichi verticali talvolta si trova traccia dell impiego di alcune combinazioni riferite a particolari istanti del gait cycle principalmente mid stance Il software scelto per questo lavoro FEBio il cui codice sorgente scritto dal Musculoskeletal Research Laboratory della University of Utah in collaborazione con il Musculoskeletal Biomechanics Laboratory della Columbia University e pubblicamente disponibile alla modifica per solo utilizzo privato e quindi non inquadrabile tra i software open source Nel corso dello svolgimento ci si resi conto di importanti carenze in molte funzioni date per utilizzabili ma in realt implementate con bug tra le quali assenza di un modello di attrito funzionante difficolt o spesso addirittura impossibilit di ottenere convergenza con il contatto di tipo sliding sia con superfici inizialmente non a contatto che inizialmente a contatto etc AI fine di realizzare simulazioni coerenti con la realt sono stati costruiti due modelli analisi del contatto durante la calzata ed analisi del contatto durante l evoluzione del gait cycle Il primo di tipo dinamico e quindi ad alto costo computazionale stato scelto a causa dell incapacit del software di risolvere compenetrazioni iniziali e di applicare condizioni al contorno di scorrimento per superfici non inizialmente a contatto tramite l utilizzo del modulo statico le geometrie digitalizzate presenti sono le seguenti V mo
200. ossesoesossosoesoscocoososeees 95 Figura 5 3 caratteristica meccanica di due materiali Neo Hookean per ricerca del modulo di Young XVIII Figura 5 4 pressione di contatto tra piastra superiore e superficie superiore del provino 96 Figura 5 5 pressioni di contatto a fine procedura di calzata IC OSIC n 98 Figura 5 6 pressioni di contatto a fine procedura di calzata IC Rodin 4D 98 Figura 5 7 pressioni di contatto a fine procedura di calzata IC Tom Most 98 Figura 5 8 pressioni di contatto durante il ciclo del passo vista anteriore IC OSIC Carbone 100 Figura 5 9 pressioni di contatto durante il ciclo del passo vista posteriore IC OSIC Carbone Jonesin A O O 100 Figura 5 10 pressioni di contatto durante il ciclo del passo vista mediale IC OSIC Carbone A n ara ni soda ci ira ai ira LS 100 Figura 5 11 pressioni di contatto durante il ciclo del passo vista laterale IC OSIC Carbone 101 Figura 5 12 pressioni di contatto durante il ciclo del passo vista dal basso IC OSIC Carbone O a operemdeness 101 Figura 5 13 Pmedia in determinati istanti del ciclo del passo per alcune aree corporee IC OSIC Carbone A A ony metals Trea oe eee 101 Figura 5 14 Pmedia in determinati istanti del ciclo del passo per alcune aree corporee IC OSIC CARD OIE clara 102 Figura 5 15 Pmedia in determinati istanti del ciclo del pas
201. ovuto al fatto di dover ripetere un certo gesto un numero noto di volte per il quale esso stesso ricercher una forma di controllo per assicurare una ripetibilit che probabilmente nel quotidiano non attuer con la stessa intensit La difficolt principale che rende il metodo poco indicato a creare un dataset di confrontabilit l unicit di ognuno degli accoppiamenti ogni invasatura realizzata sulla geometria di un moncone in modo da rivestirne la forma nel modo pi adeguato Monconi di lunghezza molto variabile con composizioni differenti provenienti sia da pazienti di sesso maschile che femminile creano una variabilit di per s gi molto ampia che viene ancor pi amplificata dalla mano di chi realizza materialmente il dispositivo La classificazione dei socket secondo le varie tipologie stabilite nello scorso capitolo indubbiamente utile a capire quali siano i principi che muovano la biomeccanica del contatto 58 ma intorno a queste sono nate sia una molteplicita di forme modificate nelle percentuali di carico supportate dalle zone previste come appoggi sia una grande numerosita di sottocategorie intermedie un esempio il Quadrilateral Ischial Contaiment socket con il fine principale della presentazione di un innovazione che permetta al produttore di guadagnare una fetta di mercato sempre pi ampia L aspetto investigato principalmente in letteratura riguarda la pressione all interfaccia poich pi sempl
202. per il moncone segmentato fosse troppo discontinua anche in seguito a filtraggio a causa della risoluzione e definizione altamente scadente delle immagini del VHD Inoltre la grande differenza morfologica con la superficie interna del socket non avrebbe permesso di utilizzare alcuna delle condizioni di interfaccia presenti nel pre processor se non la rigid interface con la quale non possibile ovviamente il calcolo delle pressioni di contatto Infine durante un controllo ci si resi conto che la forma estratta dall invasatura usata come calco era in realt poco fedele all originale di cui aveva perso sia alcuni sottosquadri impossibili da mantenere sia le caratteristiche di zone a maggior minor pressione tipiche dei rectified socket Figura 4 20 fasi della realizzazione ed acquisizione del modello dell invasatura a contenimento ischiatico Il modello stato in seguito a queste problematica ritenute irrisolvibili abbandonato e non pi utilizzato 18 http www nlm nih gov research visible visible_human html 92 4 6 2 Moncone ed invasatura di forma geometrica cilindrica Il tentativo successivo stata una drastica semplificazione del modello reale tramite Putilizzo di forme geometriche semplici con dimensioni medie anatomiche con l obbiettivo di ottenere dei valori che potessero approssimare come ordine di grandezza quelli reali si realizzato tramite Rhinoceros V5 SR6 fig 4 26 un invasatura di forma
203. piare sempre un materiale deformabile definito nel capitolo scorso come slave surface ad un corpo rigido master surface per evitare come nel caso della scelta di due deformabili difficolt al software alla ricerca della soluzione Molto probabilmente si pu concludere che dipendentemente dalle geometrie nel caso della prima invasatura fig 5 51 gli effetti descritti in precedenza sono di entit pi modesta anche nel caso della configurazione suggerita si trovino risultati non congruenti Alla luce delle considerazioni appena effettuate si deciso di non considerare 1 risultati delle prove in esame 5 6 SENSITIVITA DEL MODELLO A VARIAZIONE DEI MOMENTI ARTICOLARI OSIC Carbone TF AD PD G I LD 23 AMexi 10 0 086 0 050 23 0 095 0 055 23 AMeu 10 0 105 0 061 63 AMfex 10 0 0083 0 016 63 0 0093 0 018 63 AMfiex 10 0 0103 0 021 124 33 AMaba 10 0 061 0 057 33 0 060 0 062 33 AMaba 10 0 071 0 067 Tabella 5 7 valori di pressione di contatto MPa calcolati durante la simulazione per incrementi decrementi di momenti articolari pari al 10 invasatura IC OSIC Carbone TF triangolo femorale AD anteriore distale PD posteriore distale G gluteo I ischio LD laterale distale 5 6 1 Analisi dei risultati Il modello in esame si realizzato con l obiettivo di ricercare un coefficiente di sensitivit con il quale prevedere l aumento o la diminuzione dell intensit
204. pplicata viene rilevata mediante estensimetri applicati sulla stessa in opportune posizioni integrated circuit sheets costituiti da un doppio strato sottile di materiale flessibile es poliestere che racchiude al suo interno una matrice di elementi sensibili solitamente particolari tipologie di inchiostri sensibili alla pressione interconnessi tramite materiale conduttivo Non va inoltre trascurato un altro aspetto molto importante che interconnesso o in molti casi consequenziale alla scelta del tipo di trasduttore ovvero la metodologia di messa in opera dello stesso al fine di acquisire la misura inseriti attraverso l invasatura fig 3 10a inseriti tra pelle ed invasatura fig 3 10b Per quanto riguarda la prima scelta applicabile per trasduttori di spessore finito che quindi non sarebbe possibile inserire nell interfaccia tra invasatura e pelle senza falsare la misura risulta necessario effettuare dei fori nel socket in corrispondenza delle posizioni in cui si vuole andare a compiere la misurazione Nasce qui una doppia problematica ovvero sia il danneggiamento della struttura protesica che quindi non pu essere quella utilizzata abitualmente dal paziente divenendo quindi una metodologia attuabile solo per sperimentazioni su nuovi componenti sia l introduzione di una superficie di forma arbitraria quale pu essere uno degli elementi del trasduttore che potrebbe comportare una misurazione non fedele non essendo
205. r far calzare al paziente si rende quindi necessaria una corretta analisi da parte dello staff medico che coadiuvato da un tecnico del settore dovr effettuare una valutazione pre e post operatoria sulle condizioni psicofisiche del paziente in particolare eventuali 16 patologie a carico del sistema cardio respiratorio e sulla bonta del moncone ottenuto Uno dei passaggi fondamentali da eseguire in sala operatoria consiste nel ribilanciamento tra i muscoli abduttori e adduttori fig 2 5 con i secondi che a causa del tipo di intervento verranno sezionati perdendo le inserzioni tendinee distali Va garantita inoltre una perfetta ricopertura con tessuti molli dell apice distale che permetta di alleggerire una parte degli sforzi pressori gravanti sul resto del moncone utilizzando un invasatura a contatto totale Figura 2 5 ribilanciamento della funzionalit muscolare tramite sutura degli adduttori al femore residuo Una delle tecniche chirurgiche migliori per il raggiungimento del target appena descritto quella nota col nome di osteomioplastica con la quale si va a creare una sorta di cuscinetto attorno al femore residuo in seguito a tappatura del canale midollare con un frammento Fascia Rectus femoris Femur Figura 2 6 particolare dell intervento osteomioplastico dove possibile notare la lunghezza residua del retto femorale che verr in seguito suturato agli estensori osseo modellato e suturato al perios
206. r risolvere queste problematiche senza perdere in stabilit del bacino ma valida solo per monconi con una buona lunghezza residua consiste nel forzare il moncone in posizione addotta rastremando la dimensione medio laterale del socket verso la parte distale inclinandone la parete laterale e mantenendo quella mediale verticale inoltre la condizione di partenza stretchata in cui vengono condizionati gli abduttori dell anca ne consente una contrazione pi efficiente al fine di permettere agli estensori dell anca di effettuare delle contrazioni che siano altrettanto efficienti il moncone viene allineato in posizione iniziale flessa Il socket a contenimento ischiatico fig 2 21 nasce nel 1985 per mano di John Sabolich e 2 Il gluteo medio normalmente non causa abduzione del femore poich quando l arto appoggiato a terra opera impedendo la caduta del bacino sull arto controlaterale 32 Tom Guth come evoluzione del tipo quadrilaterale corretto sulla base dei risultati ottenuti nel 1974 da Ivan Long durante lo screening dei veterani del Vietnam in seguito elaborati e pubblicati nel 1985 nel lavoro Normal Shape Normal Alignment above the knee Figura 2 21 a vista posteriore b vista antero mediale c vista dall alto di un socket IC prosthesis 51 In questo lavoro viene descritta passo passo la metodologia per realizzare un nuovo tipo di socket noto pi comunemente con l acronimo NSNA la cui peculi
207. rante tutta la durata della simulazione 59 La definizione del tipo di contatto tra moncone e socket il vero punto critico della questione probabilmente a causa di un notevole gap tecnologico che non ne consentiva l implementazione software il modello di attrito seppur fondamentale poich in caso di mancata considerazione dello stesso si ha una sovrastima dei valori massimi di pressione pari a circa il 100 78 rimasto escluso fino a tempi relativamente recenti Il primo lavoro in cui si tent la simulazione approssimata di questo effetto venne realizzato da Zhang et al 8 nel 1995 utilizzando il software MARC tramite la definizione di gap elements connessi sia alla superficie esterna del moncone che alla superficie interna del socket assimilabili come comportamento ad un elemento elastico continuo fig 3 1 Il carico applicato al modello utilizzando il femore come effettore stato pari ad 800 N pari ad una massa di circa 81 6 kg con l obiettivo di simulare una condizione di carico in posizione ortostatica Da uno studio di Zachariah et al 89 si evince per questo tipo di 50 N ii 1014 f TUT VINILI fil fit iili fi Figura 3 1 a struttura della mesh gli elementi prismatici nel centro rappresentano le strutture ossee i due strati intermedi corrispondono ai tessuti molli mentre quello pi esterno l invaso b ogni interface element consiste in 8 nodi dall 1 al 4 si trovano
208. rappresentano il solo moncone sulla cui superficie esterna vengono applicate condizioni al contorno la sola invasatura a cui si applicano condizioni di carico derivanti dal contatto modelli completi moncone invasatura etc scelta dei legami costitutivi da assegnare ai materiali al fine di semplificare il lavoro del solver si trova principalmente traccia dell uso del legame elastico lineare isotropo assegnato al moncone da intendersi come volume omogeneo in taluni casi sono state fatte prove con il legame iperelastico di Mooney Rivlin Sia l invasatura che il femore per eliminare molte incognite dal sistema matriciale sono per la maggior parte dei casi stati considerati come corpi rigidi definizione delle condizioni al contorno molto dipendenti da quali arbitrariet semplificazioni si siano volute inserire nel modello e da quali vincoli fossero disponibili nel software scelto per realizzarlo In particolare gli algoritmi di contatto pi utilizzati sono stati quelli rientranti nella categoria degli automated contact o general contact poich in grado sia di porre a contatto due superfici compenetrate calcolando lo sforzo pressorio agente sui due materiali derivante dall operazione sia di calcolare gli sforzi pressori e tangenziali dovuti alla movimentazione del modello in seguito ad applicazione di storie di carico imposizione delle condizioni di carico nella maggior parte dei casi si avuta l applicazione di pattern press
209. re le seguenti condizioni di contatto Rigid Interface tra moncone e femore con quest ultimo utilizzato per applicare carichi al modello Sliding Interface tra superficie esterna del moncone e superficie interna dell invasatura La movimentazione stata provata sia in controllo di forza applicando forze momenti e combinazioni degli stessi che di spostamento effettuando questo tipo di prove ci si resi conto che il software come gi descritto prima insensibile alle variazioni del coefficiente d attrito e non permette quindi di calcolare sforzi tangenziali Dopo aver realizzato un nuovo modello tronco conico al fine di verificare quest ultima affermazione si abbandonata completamente questa strada passando ad ideare e realizzare i modelli descritti nel corso del capitolo ed effettivamente utilizzati al fine di ottenere dei risultati analiticamente consistenti 94 CAPITOLO 5 Si andranno ora a presentare e descrivere i risultati ottenuti nelle simulazioni relazionate nel corso del quarto capitolo presentando per prima cosa gli esiti della prova di compressione tramite la quale si sono ottenuti 1 valori numerici del bulk modulus del modello di Mooney Rivlin In seguito si esporranno i risultati della prova di calzata delle invasature a contenimento ischiatico ed infine quelli ottenuti dalle prove effettuate in diversi istanti del gait cycle con le diverse variazioni sui parametri di ingresso del sistema 5 1 PROVA D
210. ri in modo da poter eventualmente prevedere valori di pressione di contatto relativi ai nuovi liner Osservando le fig 5 48 5 50 e la tab 5 6 necessario primariamente notare che i risultati numerici confermino quanto ci si potesse attendesse ovvero il comportamento da filtro esercitato dal liner con valori di pressione in diminuzione su tutta la superficie con l aumento dello spessore degli stessi inoltre dalle color maps si pu valutare come 1 risultati per gli spessori da 3 mm siano poco precisi per tutte le tipologie di invasatura con presenza di artefatti diffusi in molte aree di contatto condizione che non si ripete per lo spessore di 9 mm la problematica stata inizialmente imputata a due possibili con cause ovvero una mesh troppo poco fitta o mal realizzata oppure questioni inerenti il risolutore probabilmente non in grado di risolvere il contatto con uno spessore ridotto di materiale deformabile interposto tra due corpi rigidi prove effettuate sul modello con mesh via via pi fitte e con quality index indice numerico calcolato automaticamente da A tair Hypermesh che indica la bont della mesh sempre migliore hanno spostato l opinione su difficolt di FEBio a risolvere correttamente questa configurazione del contatto Sulla base dei dati compilati in tab 5 6 si sono calcolati i seguenti coefficienti P3mm Pe mm SP IC Asp 3mm 1 17 Pe mm Po mm P3mm Po mm 1 24 S P Q Asp 3mm
211. ri tibia 14 2 2 LA SINDROME DELL ARTO FANTASMA da Dt 18 PAR TEE PRO ESD ei 20 2 4 LE PROTESI TRANSFEMORALI ieri re nere ce ceceno 22 2 4 1 I socket per protest transfemorali Gunther santa baleno 27 2 5 A A 37 2 6 SISTEMEDI SOS PENSION Ec a la O 39 2 7 IL PROBLEMA DEGLI SFORZI DI INTERFACCIA NELLA PRATICA CLINICA 40 CAPITOLO 3 44 3 1 TEMETODO COMPUTAZIONALE piglia 44 Sii A illa alia 46 3 1 2 Le propriet Mecca id tie 47 3 1 3 Le condizioni al contorno di interazione di Carico iii 50 3 1 4 Il problema della calzata del socket i 55 3 2 ILMETODO SPERIMENTALE ssaa 57 3 3 LE INTERVISTE CON QUESTIONARI ie 61 CAPITOLO 4 63 4 1 IL METODO AGLLECEMENTIFIN lata 63 4 2 PROCEDURASOPERATIVA sete 66 4 20 Pre S i T iii lla iaiazianian 67 Bg e nl 73 42 90 OSIO liceali lalla 73 4 3 MODELLIZZAZIONE DELLA CALZATA DEL SOCKET ii 74 4 3 1 Car tterizzazione meccanica del materiali orali a ebaizali 76 4 3 2 Condizioni al contorno di interazione di carico i 80 4 4 MODELLIZZAZIONE DEL CONTATTO TRA MONCONE ED INVASATURA DURANTE IL CAMMINO AA iii 82 4 4 1 Caratteristiche meccaniche dei materiali i 85 4 4 2 Condizioni al contorno di interazione i 85 4 4 3 Condizioni AL GALICO il IR i aaa 86 4 5 PROVE DI SENSITIVITA DEL MODELLO A VARIAZIONE DEI PARAME
212. riguardo alla seconda il valore sembra molto basso pensando a tutta la casistica presente in letteratura in cui si fa riferimento a fastidio ed infiammazione cutanea per il paziente a livello della tuberosit ischiatica Viste mediale e laterale fig 5 34 5 35 analizzando la posizione mediale dell area compressa coerentemente con quanto ci si possa ingegneristicamente aspettare si ha una concentrazione di sforzi nell area in cui si ha l incontro delle due superfici anteriore e 117 mediale dell invasatura ricreando un effetto di intaglio in particolare il moncone che se osservato sul piano trasversale ha forma rettangolare diventa particolarmente sensibile al momento torcente I valori calcolati sono Pmax med_prox 0 033 MPa e Pmax lat dist 0 045 MPa Vista dal basso fig 5 36 la compressione dell apice distale di 0 038 MPa al 27 del ciclo del passo molto probabilmente questo tipo di invasatura tecnologicamente molto datata agli albori non era previsto il contatto totale del moncone con il carico che causa questo valore di pressione sostenuto dalla tuberosita ischiatica si ricordi il concetto di seduta ischiatica 5 3 6 5 MAS Vista frontale fig 5 40 il valore di pressione calcolato sul triangolo femorale come ordine di grandezza confrontabile con i valori calcolati precedentemente Pmax tri fem 0 120 MPa questo rafforza l idea che il modelli realizzati siano dei buoni predittori per i valori ricercati
213. rilasciano olii minerali in grado di mantenere morbida la superficie del moncone oppure polveri antiossidanti d argento che favoriscono la guarigione di ulcere da decubito Figura 2 27 esempio di cuffia per moncone da amputazione transfemorale I dispositivi presenti sul mercato utilizzano principalmente i seguenti tre materiali con caratteristica bio inerte per il riempimento dell intercapedine poliuretano surrogato della gomma naturale molto resistente all usura con buone caratteristiche di assorbimento dei carichi e durezza media compresa tra 1 35 ed i 50 Shore silicone materiale con maggior intervallo di elasticit se confrontato al poliuretano con buona memoria di forma adesione e resistenza ad umidit e raggi UV Se realizzato con processo di policondensazione silicone catalizzato allo stagno presenta una vita media utile inferiore rispetto al poliuretano in quanto l intervallo di elasticit si riduce con successivi cicli di carico condizione a cui si pu ovviare realizzando il polimero con il processo di poliaddizione silicone catalizzato al platino La durezza media compresa tra i 31 ed i 45 Shore copolimero TPE resiliente ed ammortizzante come il poliuretano chimicamente un poly SBS stirene butadiene stirene in cui i domini di polistirene si comportano come dei cross link che reticolano il polibutadiene e che tendono a rompersi con 38 l aumento di temperatura e riformarsi con il raffre
214. rily to measurement uncertainties of the numeric data it has to be considered that there isn t certainty that the line left by the pen matches the real scroll interviews with a questionnaire mainly used in the clinical field to measure the degree of comfort with the prosthesis donned they aren t able to provide a set of quantitative data but only qualitative ones dependent on the patient s answers There have been done attempts with little success to associate with the response given by the patient a numerical data relating to the intensity of the pressure stress but as it is right to think the result is a measure very uncertain The questionnaire validated most used is known with the name of Questionnaire for persons with transfemoral amputation It is interesting to focus now on the only computational approach since the purpose of this thesis requires the use of this criterion The numerical methods that are implemented in the numerical analysis software used in engineering are many between them there can be found the finite element method the finite difference method the finite volume method etc Among all the most widely used as a core for the commercial software is the finite element method The realization of a finite element model consists of several consecutive steps creation of a geometry that represents with limitations and approximations the reality that is intended to simulate and meshing it in literature c
215. rima dovuta alla scelta di utilizzare FEBio come software per lo sviluppo del modello Durante il corso del lavoro ci si trovati a risolvere sia problemi di compatibilita tra gli applicativi della software suite con software di gestione delle mesh o della geometria sia a problemi di malgestione del file di output da parte del post processor della software suite Le limitazioni maggiori non risolvibili sono due e l impossibilit di impostare manualmente un valore di penalty dello sliding contact in caso di geometrie complesse poich non viene fornita un indicazione di come calcolarne un valore iniziale Talvolta utilizzando l algoritmo di automatic penalty le geometrie risultanti sono compenetrate o non a contatto dove ci si aspetta che lo siano molto probabilmente il risolutore non in grado di produrre una stima consistente del valore se non per accoppiamenti semplici e l assenza del modello di attrito che elimina una componente di stress sicuramente presente nella realt con stima dei valori di pressione agenti sul tessuto superiore fino al 100 del valore effettivo A sostegno di questa tesi si pu osservare la fig 3 3 risultato del lavoro Finite element modeling of the contact interface between transtibial residual limb and prosthetic socket di Zhang et al si pu ricordare come fosse stato trovato un valore limite per il coefficiente d attrito fa 0 3 al di sotto del quale la maggior parte d
216. s of transducers fluid mechanical strain gauges or integrated circuit sheets The first three types are put in place by inserting them through the socket which must therefore be perforated damaging it and making it no longer usable by the patient and introducing an arbitrary surface of contact with the stump leaving uncertainty on the measurement made The last type the integrated circuit sheets allow the detection of pressure map by performing a non destructive measurement on the socket because thanks to their infinitesimal thickness they can be inserted in the interface with the stump the measurement in this case is likely to be distorted in the case where the transducers are not perfectly adherent to the interface of which the contact is needed to be characterized The shear stresses are difficult to be directly measured because the introduction of a different material between the stump and the socket would distort the measurement The literature is very insufficient from this point of view with the presence of only one study in which it is aimed to measure them indirectly by detecting the sliding at the interface with a destructive test drilling the socket and inserting in the hole a pen stuck in an insert of plexiglass that left a line on the skin of the patient for one vertical slip This test configuration is definitely a great first attempt to measure a quantity related to the shear stresses but it should be refined due prima
217. sca da punto di supporto presente solo parzialmente per l invasatura di Tom Most ma si ha piuttosto una distribuzione quasi uniforme di pressioni nonostante questa dovrebbe essere presente secondo la teoria del contenimento ischiatico Questo potrebbe essere dovuto ad un non corretto posizionamento del femore nel volume dei tessuti molli con il trocantere che non si trovato nel sito designato allo scopo dal progettista dell invasatura o meno probabilmente all assenza del modello di attrito 99 5 3 MODELLIZZAZIONE DEL CONTATTO TRA MONCONE ED INVASATURA DURANTE CAMMINO 5 3 1 Invasatura a contenimento ischiatico OSIC Carbone i sl sell sel Figura 5 8 pressioni di contatto durante il ciclo del passo vista anteriore IC OSIC Carbone Eb i la U Figura 5 9 pressioni di contatto durante il ciclo del passo vista posteriore IC OSIC Carbone al el sel cupi we u om nem ms im nen o om en nin en i vena da vn Figura 5 10 pressioni di contatto durante il ciclo del passo vista mediale IC OSIC Carbone 100 mo am prop 7 ow Sur strie RE eae nil A v A ss oe o a Frenos Pe sui ua t A ma sai Y sore 6 sai Figura 5 11 pressioni di contatto durante il ciclo del passo vista laterale IC OSIC Carbone ospi i 0 J oe Figura 5 12 pressioni di contatto durante il ciclo del passo vista dal basso IC OSIC Carbo
218. scorrimento effettivo interviste con questionario principalmente utilizzate in ambito clinico per misurare il grado di comfort con la protesi calzata non sono in grado di fornire un set di dati quantitativi ma solo dati qualitativi dipendenti dalle risposte del paziente Sono stati fatti dei tentativi con scarsi risultati di associare alla risposta data dal paziente un dato numerico relativo all intensit degli sforzi pressori ma come lecito pensare il risultato una misura molto incerta Il questionario validato pi utilizzato noto con il nome di Questionnaire for persons with transfemoral amputation Risulta interessante concentrarsi ora sul solo approccio computazionale poich lo scopo di questo lavoro di tesi presuppone l utilizzo di questo criterio I metodi numerici che trovano implementazione nei software di analisi numerica utilizzabili in ambito ingegneristico sono molti tra essi si possono trovare il metodo degli elementi finiti il metodo delle differenze finite il metodo dei volumi finiti etc Tra tutti quello pi IV utilizzato come core per il software commerciali il metodo degli elementi finiti La realizzazione di un modello agli elementi finiti si compone di diversi step consecutivi realizzazione di una geometria che rappresenti con limitazioni ed approssimazioni la realt che si intende simulare e meshatura della stessa in letteratura le scelte sono molto eterogenee con forme che
219. seguita tramite Altair Hypermesh V13 oppure Hex8 se eseguita con mesh tool interno di PreView Shell 2D corpi rigidi elementi Tri3 triangoli del primo ordine dimensione 2 con meshatura eseguita tramite Altair Hypermesh V13 La scelta si basata su un criterio di compatibilit tra i formati di esportazione ed il contenuto informativo degli stessi di Altair Hypermesh V13 e FEBio ricercato con prove effettuate su alcune geometrie semplici si notato per esempio come il solver fatichi a ricercare la soluzione calcolando in continuazione Jacobiani negativi in presenza di parti deformabili meshate con elementi tetraedrici del secondo ordine cosa che non avviene meshando la parte stessa con elementi tetraedrici del primo ordine db Bonasc Contact z Bchasc Solte Cortact II vutonane Contact Teraen Congressos Contact YY Tes benasic Contact 7 conce Figura 4 5 tipologie di contatti utilizzati nei modelli in esame Ur attenta analisi nella fase di pre processing va dedicata alle condizioni di interazione e 70 di contatto disponibili in PreView che verranno utilizzate nei modelli presentati fig 4 5 ovvero le seguenti quattro Rigid Interface con cui si va a connettere un corpo deformabile con un rigid body I nodi delle superfici del corpo deformabile a contatto col corpo indeformabile effettuano un campo di spostamenti congruente a quello compiuto dal secondo La definizione di questo tipo di contatto ri
220. sit di dover realizzare una nuova invasatura si veda il flow chart in fig 4 2 da testare sul paziente che verr realizzato solo in seguito all ottimizzazione completa degli stessi con grandissimo risparmio di tempo e risorse economiche 65 4 2 pa n r a _ _ Yes r Socket Design Manufacture Fitting TAssessment gt j Delivery L t sn b L nd ee a y te No UN A O AA Socket Design FEA lt Assessment gt Manufacture t Fitting L I 4 hasta md A mit t No Figura 4 2 algoritmo di realizzazione ed analisi di un socket senza e con l utilizzo del FEM PROCEDURA OPERATIVA Il software scelto per questo lavoro FEBio il cui codice sorgente scritto dal Musculoskeletal Research Laboratory della University of Utah in collaborazione con il Musculoskeletal Biomechanics Laboratory della Columbia University e pubblicamente disponibile alla modifica per solo utilizzo privato e quindi non inquadrabile tra i software open source La suite stata sviluppata dai programmatori con un occhio particolare rivolto alla biomeccanica computazionale data la presenza di modelli costitutivi non lineari specifici per i tessuti biologici con il valore aggiunto della possibilit di analisi per materiali bifasici e multifasici All interno del pacchetto software l analisi viene suddivisa in tre fasi fondamentali ad ognuna delle quali viene associato un applicativo differe
221. sities are on average of what was found by the authors in the literature although it should be considered that in the absence of the friction model the values are certainly overestimated Regarding Quadrilateral and MAS ones the data found for the pressures only allow to characterize the most critical areas on which to work to improve patient comfort being able to make a few comments on the order of magnitude of the numerical results in the absence of elements of comparison there is no availability of other quad socket or MAS to test and especially literature is incomplete regarding work on these types Models in which have been modified input parameters provided good results in the case of variation of the thickness of the sensitive material and variation in maximum joint moments XII and in both cases it was possible to obtain a linear relationship after calculated the sensitivity coefficients that relate the results obtained with these models with the main one In the case of changing the alignment the relationship has not been written since it hasn t been available a pattern of moments and joint loads typical of the gait with a broad or restricted base for the patient but on the basis of the results 1t has been possible to establish a qualitative sensitivity order of the different types of sockets to changes in the alignment In closing by varying the material of the sensitive element polyurethane and poly styrene butadiene styrene instead
222. so per alcune aree corporee IC OSIC AED OIE ili el alal e lai idee 102 Figura 5 16 pressioni di contatto durante il ciclo del passo vista anteriore IC Rodin 4D 103 Figura 5 17 pressioni di contatto durante il ciclo del passo vista posteriore IC Rodin 4D 103 Figura 5 18 pressioni di contatto durante il ciclo del passo vista mediale IC Rodin 4D 103 Figura 5 19 pressioni di contatto durante il ciclo del passo vista laterale IC Rodin 4D 104 Figura 5 20 pressioni di contatto durante il ciclo del passo vista dal basso IC Rodin 4D 104 Figura 5 21 Pmedia in determinati istanti del ciclo del passo per alcune aree corporee IC Rodin ID eresia aerosol 104 Figura 5 22 Pmedia in determinati istanti del ciclo del passo per alcune aree corporee IC Rodin Dai de e e n i e 105 Figura 5 23 Pmedia in determinati istanti del ciclo del passo per alcune aree corporee IC A iii 105 Figura 5 24 pressioni di contatto durante il ciclo del passo vista anteriore IC Tom Most 106 Figura 5 25 pressioni di contatto durante il ciclo del passo vista posteriore IC Tom Most 106 Figura 5 26 pressioni di contatto durante il ciclo del passo vista mediale IC Tom Most 106 Figura 5 27 pressioni di contatto durante il ciclo del passo vista laterale IC Tom Most 107 Figura 5 28 pressioni di contatto durante il ciclo del passo vista dal basso IC Tom Most
223. ssing secondo sezioni racchiuse da un tag di inizio ed un tag di fine all interno dei quali vengono assegnati i valori ai vari elementi attualmente viene data la possibilit di scegliere tra due differenti standard di esportazione 1 2 standard obsoleto che viene mantenuto seppur il cui uso sia sconsigliato dai programmatori stessi e 2 0 la scelta effettuata per tutti 1 files esportati si rivolta in accordo con il suggerimento dei programmatori al fine di ottenere una maggiore ottimizzazione verso lo standard 2 0 L esecuzione del file esportato avviene da command prompt in ambiente DOS tramite l eseguibile febio2 exe secondo la seguente riga di comando gt febio2 options nomefile feb con le options che possono essere introdotte a discrezione dell operatore si rimanda al manuale utente di FEBio per una trattazione pi completa riguardo all argomento Il software sia in caso di soluzione convergente che in caso di soluzione non convergente produrr come risultato due differenti files nomefile log nomefile xplt Il primo og un file di testo in formato ASCII contenente lo stesso output visibile sullo schermo durante l evoluzione della ricerca della soluzione da parte di FEBio mentre il secondo xplt un file di tipo binario contenente i risultati dell analisi da aprirsi con un post processor 4 2 3 Post processing Il post processing si svolge con l uso del software PostView fig
224. stessi siano effettivamente confrontabili La prosecuzione pi logica di questo lavoro potrebbe essere basata sull utilizzo dello stesso moncone sia per le prove numeriche tramite acquisizione elaborazione e successiva modellizzazione in ambiente FEM sia per quelle sperimentali si ricordi il flow chart in fig 4 2 al fine di avere un termine di confronto certo La simulazione della procedura di calzata secondo modello realizzato nel corso del lavoro ha dato risultati interessanti perch ha permesso di caratterizzare le tre invasature a contenimento ischiatico evidenziandone le particolarit e le differenti scelte progettuali nonch anticipando i risultati che si sarebbero poi ottenuti con il modello di cui si parlato in precedenza Questa analisi numerica si comportata da buon predittore per le pressioni presenti in fase di postura ortostatica a discapito di un alto costo computazionale con ogni esecuzione del file feb creato che ha richiesto circa 4 ore su una macchina di ultima generazione equipaggiata con processore Intel Core 17 e 16 GB di RAM L imponente aumento del tempo macchina imputabile sia all utilizzo di una geometria pi complessa e completa sia a quello del modulo dinamico di FEBio in grado di dare risultati pi accurati rispetto a quello statico poich in grado di risolvere contatti con compenetrazioni iniziali grandi deformazioni a patto di mantenere le superfici inizialmente non a contatto e m
225. storius SAF T43 21 30 33 8 400 m M Johnson USA Normodotato 43 18 33 4 400 m O Pistorius SAF T43 45 39 31 7 Tabella 2 1 confronto tra record del mondo di atleti normodotati e disabili su distanze olimpiche cat T43 Un ultimo dettaglio da considerare il Avelocit decrescente con l aumentare della distanza che indica una difficolt dell amputato a gestire la fase di accelerazione iniziale a causa di difficolt propriocettive e limitazioni nella quantit di energia che la protesi per effetto del piede pu immagazzinare e restituire se paragonata al 26 sistema muscolo scheletrico 2 4 1 I socket per amputazioni transfemorali Il socket per certi versi l elemento di maggior importanza della protesi ovvero quello che se realizzato senza tener conto delle criticit pu portare al fallimento della protesizzazione dell amputato anche se le altre componenti siano state progettate secondo i migliori dogmi Le sue funzioni sono principalmente due ovvero di contenimento del moncone e di trasmissione del peso dell individuo agli altri elementi della protesi per controllare il movimento degli stessi E a questo livello che si trova la difficolt principale da considerare ovvero la realizzazione di una corretta interfaccia tra il moncone che in quanto elemento composto da tessuti biologici soggetto a continui rimodellamenti di forma e di volume sia a breve termine che a lungo termine a
226. stremita Distale Ant F 0 019 55 Gluteo F 0 039 27 Estremita Distale Post F 0 057 23 Ischio S 0 033 33 Estremita Distale Lat S 0 054 27 Apice Distale T 0 040 27 Tabella 5 3 valori di Pmedia ricavabili per l invasatura IC Tom Most in aree corporee di interesse ed in determinati istanti del ciclo del passo con piano di riferimento F Frontale S Sagittale T Trasversale 108 5 3 4 Invasatura quadrilaterale 2 ene cee Figura 5 33 pressioni di contatto durante il ciclo del passo vista posteriore Quadrilaterale Figura 5 34 pressioni di contatto durante il ciclo del passo vista mediale Quadrilaterale 109 10 xp 16 xpHt 23 pit 27 mph A q gero Tree n CECT S8 xpit fees rice pia Le Ls Figura 5 35 pressioni di contatto durante il ciclo del passo vista laterale Quadrilaterale Smet teap inre Le a w x an ni on ere gt us ow v ens ple om asol sol 10 re E ws T 2 ass al ua i n o o w poraus 2 a e EI 2 y Figura 5 36 pressioni di contatto durante il ciclo del passo vista dal basso Quadrilaterale PRESSIONE DI CONTATTO MEDIA PIANO FRONTALE 0 09 0 08 0 07 0 06 0 05 0 04 0 03 0 02 0 01 0 e Triangolo Femorale 0e Anteriore Distale PRESSIONE MPa Posteriore Distale 0 10 20 30 40 50 60 70 CICLO DEL PASSO Figura 5 37 P media in d
227. ta oggi nella maggior parte dei casi non cambiata rispetto alle ultime decadi ed basata principalmente su esperienza del tecnico preposto osservazione visiva del paziente durante il cammino spesso senza tenere in considerazione l ampia variabilit tra prove dello stesso paziente e valutazione di informazioni propriocettive dello stesso che spesso possono essere falsate da una condizione ancora troppo nuova per il corpo Alla luce delle considerazioni appena effettuate si pu valutare positivamente la ricerca di una metodologia che possa fornire all ambito clinico un set di dati quantitativi ex ante alla realizzazione dell invasatura che siano facilmente interpretabili ed utilizzabili per prevedere ed evitare il verificarsi di alcune delle problematiche sopra descritte creando quindi una sorta di interfaccia staff clinico paziente al fine di migliorare drasticamente le condizioni di vita dello stesso 43 CAPITOLO 3 In questo capitolo si presenter l inquadramento tecnico scientifico attuale della ricerca sulle diverse tipologie operative rintracciabili nella letteratura riguardo l analisi della distribuzione degli sforzi pressori e tangenziali all interfaccia tra socket e moncone residuo L obiettivo che ci si prepone di consentire una corretta valutazione del metodo utilizzato nel presente lavoro che verr presentata nel capitolo successivo In letteratura scientifica si riscontrato i tre seguenti tipi di approccio a
228. temporali del gait cycle modelli pi complessi con 54 a b Residuum Socket sd Figura 3 7 limitazioni dei gap elements in presenza di grandi deformazioni a modello bidimensionale di un oggetto rigido l invasatura a contatto con un oggetto deformabile nell immagine il Residuum b forma deformata del Residuum in seguito a traslazione verticale del socket quando modellato con gap elements linea tratteggiata e con automated contact linea continua Con l utilizzo dei gap elements la forma deformata non riflette accuratamente i cambiamenti nella geometria del contatto segmento osseo ricavandone i valori tramite l applicazione della dinamica inversa con l ausilio di tabelle da cui stimare i valori antropometrici e di massa dei vari segmenti in seguito a misurazione della reazione a terra con l ausilio di una pedana dinamometrica oppure spostamenti applicati al solo segmento osseo a tutto il modello del moncone o al socket Le storie temporali di applicazione dei carichi sopracitati spesso non vengono descritte se non in pochi casi in cui si trova traccia di carichi applicati con crescita lineare o secondo un numero n di step equispaziati temporalmente simulando una condizione quasi statica o statica 3 1 4 Il problema della calzata del socket L analisi della calzata del socket merita una trattazione a parte poich con questo primo step di analisi si va a creare una condizione di precarico da te
229. teo formato da tessuto muscolare sutura tra muscoli flessori ed estensori fig 2 6 dando cos la possibilit di sopportare almeno parzialmente il peso corporeo sul tratto apicale distale senza che l estremit ossea venga direttamente in contatto con la cute 17 La fase successiva al trattamento chirurgico post operatorio vedi fig 2 7 di fondamentale importanza per il recupero funzionale e necessita di un trattamento particolare per il moncone l eventuale mantenimento di posture errate per un periodo di tempo prolungato potrebbe essere causa di limitazioni delle articolazioni prossimali del moncone Questo andr perci mantenuto in posizione declive avendo l accortezza di prevenire contratture retrazioni rigidit ripristinare delle buoni condizioni generali psicofisiche curare il moncone cicatrici in modo da prepararlo alla successiva protesizzazione Figura 2 7 moncone di amputato transfemorale nell immediato post operatorio E in questo momento di durata compresa tra le 3 e le 10 settimane che si dovr procedere al ripristino del trofismo muscolare tramite elettroterapia stimolante unita ad esercizio fisico alla cura degli edemi formatisi in seguito a ridistribuzione dei vasi sanguigni e del sistema linfatico e delle complicanze cutanee difetti di cicatrizzazione aderenze fistole dermatiti follicoliti etc ed a trovare una soluzione ad una delle problematiche pi frequenti in seguito a q
230. ti grazie all avvento delle tecnologie del silicio e dei microprocessori altamente funzionali con recupero praticamente completo della funzionalit al punto da permettere attivit sportive a livello agonistico e grazie alla customizzazione perfettamente modellate sulla forma del corpo del disabile Il livello tecnologico raggiunto dovrebbe quindi al giorno d oggi fare in modo che indipendentemente dal ceto sociale di appartenenza il paziente amputato abbia la possibilit di tornare a vivere la propria quotidianit con il minor numero di limitazioni possibile una corretta protesizzazione in ogni caso non dovrebbe prescindere dal raggiungimento della miglior condizione di comfort per il paziente stesso un accumulo di pressioni di contatto e sforzi tangenziali troppo elevati sul moncone allontana il raggiungimento del target poich pu creare una situazione di dolore diffuso o concentrato ed inoltre portare a danneggiamento dei tessuti rendendo difficoltoso il raggiungimento di una propria autonomia fino ad un incapacit totale di rientro nel mondo del lavoro La situazione socio economica globale inoltre non permette a tutti 1 cittadini del mondo un accesso paritario ai livelli di cura le differenti disponibilit economiche di assistenza sanitaria e riabilitativa intercorrenti tra Primo e Terzo Mondo dove la maggior parte delle amputazioni avviene per J E HANGER ARTIFICIAL LEG Patented Feb 14 1871 Lig Z
231. ti per quanto riguarda le intensita degli sforzi in fig 3 3 e 3 4 esiste un valore limite per il coefficiente d attrito fa 0 3 al di sopra del quale la maggior parte del carico viene sostenuto per effetto dello shear stress a discapito dell effetto degli sforzi pressori In particolare si veda in fig 3 3 la diminuzione repentina della pressione massima per valori del coefficiente d attrito compresi tra 0 e 0 5 che diminuirebbe da un valore di 64 kPa ad uno di 30 kPa Figura 3 3 pressione massima e media sforzi di taglio massimi e medi in funzione del coefficiente di attrito Percentage of the Vertical Load a 40 20 0 1 02 03 04 05 06 07 08 09 Coefficient of Friction Figura 3 4 percentuale di carico verticale supportato dalla pressione e percentuale sopportata dagli sforzi di taglio si noti il limite inferiore per il coefficiente di attrito pari a 0 3 in cui cambia la caratteristica del supporto 52 Inoltre un valore per il coefficiente di attrito al di sopra del limite evita eccessivi scorrimenti all interfaccia tra moncone e socket fig 3 5 dannosi per la cute del paziente Sarebbe utile al fine di interpretare correttamente i risultati conoscere quale sia l intensit minima degli sforzi tangenziali che possa creare danno tissutale 10 la de 8 Maximum Slip a f 4 Average Slip 0 __ _ a i 0 0 1 02 03 04 05 06 07 08 cag 10 Coefficient of Friction Figura
232. tic socket a survey of the development in the first decade Medical Engineering amp Physics Vol 20 1998 360 37 139 46 Lacroix D Ramirez Pati o JF Finite Element Analysis of Donning Procedure of a Prosthetic Transfemoral Socket Annals of Biomedical Engineering Vol 39 No 12 December 2011 2011 pp 2972 2983 47 Zhang L Zhu M Shen L Zheng F Finite Element Analysis of the Contact Interface Between Trans femoral Stump and Prosthetic Socket 35th Annual International Conference of the IEEE EMBS Osaka Japan 3 7 July 2013 48 Portnoy S Siev Ner I Yizhar Z Kristal A Shabshin N Gefen A Surgical and morphological factors that affect internal mechanical loads in soft tissues of the transtibial residuum Ann Biomed Eng 37 2009 2583 2602 49 Fung YCB Mechanics of soft tissues In Skalak R Chien S editors Handbook of bioengineering New York McGraw Hill 1987 Chapter 1 50 Decraemer WF Maes MA Vanhuyse VJ 4 non linear viscoelastic constitutive equation for soft biological tissues based on a structural mode J Biomech 1980 13 559 64 51 Mak AFT Lai WM Mow VC Biphasic indentation of articular cartilage part I theory analysis J Biomech 1987 20 703 14 52 Oomens CWJ Campen DH Grootenboer HJ A mixture approach to the mechanics of skin J Biomech 1987 20 877 85 53 Sanders JE Daly CH Normal and shear stresses on a residual limb in a prosthetic socket during ambulation comparison
233. tico precedentemente scaldato in un forno sul modello positivo precedentemente ricoperto da una calza di nylon posto su un decompressore Questo socket verr provato dal paziente al fine di verificare l adeguata corrispondenza delle superfici di interfaccia valutando eventuali modifiche formatura del socket definitivo nel materiale scelto per il pezzo finito polietilene polipropilene fibra di carbonio etc post costruzione di un nuovo modello positivo Alternativamente alla metodologia appena descritta se ne trova utilizzata sempre pi spesso grazie all evoluzione tecnologica dell informatica una basata sull uso di software CAD CAM con la quale si vanno a sostituire le operazioni fatte manualmente nel seguente modo digitalizzazione della forma del moncone tramite scansione laser con il paziente collocato in posizione ortostatica in modo tale che i tessuti molli si dispongano fisiologicamente importazione in ambiente CAD in un software sviluppato appositamente per il design protesico ortesico in grado tra le varie funzionalit di fornire dati quali le circonferenze del moncone il volume le aree delle superfici etc del modello digitale stilizzazione del modello digitale dell invasatura sulla base del moncone invio del file contenente il modello dell invasatura tramite il modulo CAM del software ad un robot antropomorfo CNC che realizzi il positivo tipicamente in poliuretano su cui si termoform
234. ticolazione molto pi stabile rispetto al caso monoassiale tanto pi alto e posteriore sar il CIR a ginocchio esteso e tanto pi sar difficile lo sblocco accidentale in fase statica e donando al passo una caratteristica molto pi fisiologica relativamente alla tipologia di dispositivi di controllo della stabilit questi possono essere passivi o attivi Per 1 passivi il movimento dipendente dalla posizione del CIR e non si ha quindi controllo da parte del paziente ma solo dipendenza dalle caratteristiche geometriche del device Negli attivi il controllo del movimento demandato all elettronica di controllo con dei microprocessori che raccolgono informazioni da sensori presenti sul componente processando poi i dati ottenuti relativamente all equilibrio delle forze scambiante tra gli elementi del meccanismo sia nella fase di estensione che nella fase di flessione si hanno sistemi a molla a frizione o a fluido I meccanismi a molla sviluppano una reazione di tipo elastico correlata all angolo di flessione del ginocchio I meccanismi a frizione funzionano sfruttando l attrito tra due o pi elementi che strisciano relativamente che si crea nella fase di sostegno del peso con libert di movimento nella fase di swing o al pi con presenza di un sistema auto frenante che limiti la velocit di ritorno nel movimento di estensione I sistemi a fluido sono composti da un cilindro nel quale scorre un pistone e possono essere pneumat
235. todologia che come visto in precedenza non di tipo analitico ma numerico si pu oggi ottenere agevolmente lo stato di sforzo deformazione per problemi di cui non sia nota a priori la soluzione analitica dalla scienza delle costruzioni oppure pur essendo nota la stessa sia molto complessa da ricercare Per stimare la soluzione l algoritmo opera una suddivisione di un dominio complesso in una serie di sottodomini semplici interconnessi ossia gli elementi che nel loro insieme compongono la mesh in cui viene discretizzato il continuum ognuno dei quali ammette una soluzione semplice Ad ogni elemento viene associato un modello analitico descritto tramite equazioni le funzioni di forma tipicamente polinomiali ed indipendenti dalla realt fisica osservata dipendenti solo dalle coordinate spaziali dei nodi punti noti dell elemento che ne descrivono la geometria nonch punti di interconnessione tra elementi stessi con complessit variabile in funzione del modello che necessario risolvere E importante ricordare che il numero dei nodi e quindi la dimensione della mesh deve corrispondere ad un equilibrio tra la ricerca di una soluzione con un grado di approssimazione il pi contenuto possibile e la durata della fase di solving del problema contenendo quindi il costo computazionale Ogni nodo libero di muoversi all interno del dominio del problema solitamente una retta un piano o lo spazio compatibilmente con i vincoli imposti
236. tropo e soggetto a cambiamenti di forma e di composizione nel corso del tempo da questo punto di vista assume una particolare importanza il grado di sviluppo raggiunto per le protesi modulari con le quali non pi necessario effettuare un cambio dell intera protesi in caso di necessit di sostituzione di uno dei componenti Elementi come lo stelo il ginocchio protesico il piede protesico o i rotatori possono essere sostituiti per incontrarsi con necessit differenti rispetto a quelle dell immediato post operatorio aumento di livello di attivit fisica crescita corporea in caso di pazienti in et infantile o adolescenziale etc Da questo punto di vista assume una grande rilevanza la cuffia in gel di materiale polimerico silicone poliuretano poli stirene butadiene stirene poich offre un doppio risultato va incontro alle esigenze di customizzazione poich con la cuffia costituita all interno da gel polimerico con matrice polimerica in sospensione calzata sul moncone e in corrispondenza di piccole variazioni di forma si ha un adattamento automatico con ridistribuzione della massa di gel presente all interno della stessa ricreando una condizione ottimale di comfort per il paziente mentre in corrispondenza di grandi variazioni morfologiche possibile sostituirla con una di spessore e o materiale differente senza necessit di sostituire l invasatura o addirittura l intera protesi offre ottime prestazioni riguardo a
237. ttuto pu comportare risposte date a caso oppure basate su un opinione formulata sul momento e che quindi pu essere solo passeggera Questo fenomeno accentuato anche dal fatto che spesso la risposta non so viene percepita come un ammissione di incapacit mentale Inoltre il metodo risulta ovviamente inutilizzabile con scopo predittivo verso il risultato di una caratteristica della protesi poich necessita di un feedback sensoriale da parte del paziente che pu essere fornito solo dopo averla indossata ed utilizzata 62 CAPITOLO 4 Come gia analizzato nel corso del secondo capitolo le due principali problematiche su cui soffermarsi attentamente durante l analisi del contatto in questione sono le intensit delle pressioni di contatto e degli sforzi tangenziali che se troppo elevati in valore assoluto sono in grado di danneggiare 1 tessuti biologici precludendo la possibilit di un buon recupero per il paziente L algoritmo che si scelto di utilizzare il metodo agli elementi finiti si veda il paragrafo 3 1 in quanto in grado di risolvere problemi riguardanti variabili di contatto tra diverse tipologie di materiali si andr ora a proporre una trattazione descrittiva dei singoli passi e delle singole scelte compiuti al fine di raggiungere l obiettivo prefissato 4 1 IL METODO AGLI ELEMENTI FINITI Tramite il metodo agli elementi finiti possibile simulare un processo fisico utilizzando un opportuno modello
238. tura possibile trovare molti lavori effettuati che ugualmente non lo abbiano considerato seppur il software lo consentisse per diminuire il costo computazionale il moncone e la cuffia nella condizione di contatto iniziale presentano la forma dell invasatura con le superfici a contatto Questa scelta stata effettuata a causa dell incapacit del software di far convergere un modello statico che utilizzi la Sliding Interface se le superfici master e slave sono separate all istante iniziale 83 Sstema di spostamento oggetto Sposta aan QA ca e LA a El poon ss 10 Media prv PreView OE onasi Figura 4 17 assembly del modello realizzato per l analisi del contatto durante il cammino Si trascura in questo modo il precarico iniziale agente sul moncone che per quanto riguarda i modelli a contenimento ischiatico pu essere assunto pari a quanto stimato alla fine della simulazione della calzata utilizzando poi il principio di sovrapposizione degli effetti il contatto tra moncone e socket di tipo totale e comprende quindi anche l estremit distale su questo argomento vi sono pareri molto discordanti da studi si verificato che la presenza di contatto totale evita il verificarsi dell insorgenza di patologie vascolari per l effetto benefico che comporta alla circolazione evita il ristagno nella parte apicale ma per contro la presenza di contatto totale su un moncone
239. uadrilaterale 1 77 0 030 sovrastima MAS 2 92 0 030 sovrastima Tabella A 9 errore percentuale medio deviazione standard dell errore percentuale e tipo di errore sottostima sovrastima per i valori stimati di pressione rispetto ai valori calcolati da FEBio Sulla base dei risultati ottenuti si pu notare una minima dipendenza dalla geometria delle diverse invasature con valori che vengono sovrastimati secondi percentuali comprese tra il 2 ed il 3 Il valore calcolato per l errore percentuale sicuramente molto basso sia in media che in deviazione standard e sulla base dello stesso realistico utilizzare perlomeno in una fase preliminare il modello lineare proposto con la formula 5 2 come predittore per valori di pressione anche per le altre invasature 136 BIBLIOGRAFIA 1 Milanovic B The two faces of globalization Against Globalization as we know it World Development 2003 31 4 667 683 pp 675 figure 3 2 Ziegler Graham K MacKenzie EJ Ephraim PL Travison TG Brookmeyer R Estimating the Prevalence ofLimb Loss in the United States 2005 to 2050 Archives of Physical Medicine and Rehabilitation 2008 89 3 422 9 3 Owings M Kozak LJ National Center for Health S Ambulatory and Inpatient Procedures in the United States 1996 Hyattsville Md U S Dept of Health and Human Services Centers for Disease Control and Prevention National Center for Health Statistics 1998 4 Comitato Internazionale Della Cr
240. uanto descritto nel corso del secondo capitolo per quanto riguarda la prima tipologia l ampia seduta ischiatica presente nella parte posteriore unita alla tipica forma rettangolare mentre per la seconda la presenza del solo contenimento del ramo ischiatico Inoltre osservando le viste rimanenti della tipologia MAS si pu notare la limitata altezza dell invasatura fattore di grande importanza per ottenere un buon mascheramento della stessa quando coperta da indumenti Partendo dai modelli digitali tramite una serie di operazioni di offset di superfici effettuate con il software Geomagic Studio 2013 si sono estratte nello spessore commerciale principale di 6 mm le forme che le cuffie corrispondenti alle cinque invasature avrebbero una volta calzate all interno delle stesse ed i monconi relativi Il modello completo fig 4 17 realizzato tenendo conto del fatto che il software non in grado di utilizzare in modo realistico il modello di attrito consiste quindi in un socket contenente una cuffia Questa si comporter quindi da elemento sensibile ovvero strumento di misura per pressioni di contatto al quale saranno trasmessi tramite il moncone carichi derivanti da gait analysis di un paziente amputato Le approssimazioni principali introdotte ed accettate a questo punto sono tre assenza completa di attrito tra le superfici a contatto assenza di sforzi di taglio che probabilmente la limitazione principale anche se nella lettera
241. uesto tipo di interventi ovvero la sindrome dell arto fantasma di cui si parler ora in modo pi approfondito 2 2 LA SINDROME DELL ARTO FANTASMA Con sindrome dell arto fantasma si intende una manifestazione di persistenza anomala di un arto rimosso con amputazione con questa sensazione il soggetto avverte la presenza dell arto talvolta ne pu sentire anche il movimento ed spesso accompagnata da sensazioni di fastidio e o dolore 18 Questa sindrome la cui prima osservazione e descrizione venne fatta nel 1551 da Ambroise Par anche se probabilmente la cosa era gi nota fin dai primordi dell umanit riguarda circa 1 80 dei pazienti amputati ed la chiara dimostrazione dell esistenza nei livelli superiori del sistema nervoso centrale di uno schema corporeo che persiste nonostante dall arto amputato non giungano pi impulsi di tipo nervoso Nella storia della medicina si ebbero prima di giungere alla teoria attuale due tentativi di giustificazione del fenomeno la teoria medica classica riconduceva il dolore all attivit elettrica irregolare proveniente dal neuroma formazione tumorale benigna che si accresce all interno del moncone in seguito a recisione dei fasci nervosi Nonostante tentativi di soluzione passanti per la rimozione dello stesso la percezione ed il dolore tendevano a ripresentarsi dopo breve tempo la teoria psichiatrica lo riconduceva ad una sorta di allucinazione percettiva
242. uisizione digitali sia prosthetic CAD sia macchinari a controllo numerico per la realizzazione di protesi ORO OO mise por lia lcd i E dl a B8998080980 BAGDORAS Figura 4 9 modello digitale di invasatura IC Rodin 4D 13 http www 3dcadbrowser com 14 http www mostlyfantasy com 15 http rodin4d com 75 OSIC Carbone anch essa una factory francese che opera negli stessi mercati di Rodin 4D Figura 4 10 modello digitale di invasatura IC OSIC Carbone Ad una prima osservazione delle viste sul piano coronale si pu notare come nonostante si stiano utilizzando delle invasature appartenenti alla stessa tipologia le scelte progettuali operate siano radicalmente differenti riguardo alla forma ed ai punti di supporto Analizzando ad esempio la prima Tom Most fig 4 8 evidente come la zona del gluteo sia molto scarica se confrontata ai modelli degli altri due realizzatori Rodin 4D fig 4 9 e OSIC Carbone fig 4 10 e come la stessa presenti un maggiore raggio di curvatura nell area del ramo ischiatico tuberosit ischiatica cosa che pu far pensare a pressioni pi equamente distribuite su tutta la superficie di contatto e meno concentrate nella zona indicata Si andranno a discutere ora le scelte effettuate per la realizzazione del modello ed i valori assegnati ai vari parametri 4 3 1 Caratterizzazione meccanica dei materiali La scelta dei vari materiali da assegnare ad ognun
243. umento utilizzato per rilevare la geometria Scegliendo l utilizzo di sensori meccanici funzionanti quindi a contatto la superficie rilevata sar molto probabilmente differente da quella reale in quanto appoggiando il tastatore sui tessuti biologici si induce una deformazione che verr rilevata come forma effettiva Un altra considerazione necessaria proviene dalla scelta della tecnica di imaging gli US non sono in grado di produrre immagini ad alta definizione ottenendo quindi una stima della posizione del femore cos come della composizione media dei tessuti distorta di cui non si conosce la tecnica di discretizzazione Inoltre in questo modello manca completamente la definizione di una geometria che rappresenti l invasatura senza la possibilit quindi di imporre condizioni di contatto e la scelta del singolo pattern pressorio limitativa poich non permette di simulare condizioni di particolare interesse del gait cycle Risulta quindi necessario spostare l attenzione sui quattro aspetti fondamentali elencati in seguito considerando criticamente tutte le possibili scelte rinvenibili 45 1 Definizione delle geometrie presenti nel problema Definizione delle proprieta meccaniche dei vari materiali presenti nel modello 3 Definizione delle condizioni al contorno di interazione e di carico necessarie per rappresentare il tipo di analisi a cui ci si approccia 4 Definizione di un modello in grado di rappresentare fedelment
244. uovere le parti in controllo di spostamento I risultati ottenuti con pressioni nell ordine di 0 1 MPa si discostano molto rispetto al lavoro preso come riferimento ovvero Finite Element Analysis of Donning Procedure of a Prosthetic Transfemoral Socket di Lacroix et al in cui il valore massimo di pressione ottenuto stato pari a 0 0056 MPa Non va tuttavia trascurata la differente geometria utilizzata dagli autori con il moncone e quindi il contatto realizzato nella sola sezione distale con perdita di informazioni importanti sulle aree dell ischio del gluteo e del triangolo femorale Anche in questo caso la grande limitazione viene dall inutilizzabilit dell attrito si auspica uno sviluppo in questo senso realizzando il modello in un ambiente software che permetta di considerarlo tra i parametri modificabili in modo da poter simulare una calzata che sia realistica in ogni sua fase 132 APPENDICE A Con riferimento al paragrafo 5 6 vengono di seguito riportati 1 calcoli in forma estesa per quanto riguarda la simulazione del contatto tra moncone ed invasatura durante il ciclo del passo variando i momenti articolari del 10 in corrispondenza delle intensit massime Come gi accennato nel paragrafo sopra indicato il processo si svolto calcolando i coefficienti di sensitivit relativamente all invasatura OSIC Carbone P 23 AMoxt 10 P AMext 10 23 _ SP OSIC AMext 10 TP P 1 0999 1 1 23 23 AMext
245. vel of physical activity MAS The quadrilateral socket created in the late 40 s by the University of Berkeley takes the name from the characteristic shape that it would be found cutting it at the ischial tuberosity level in the transverse plane The forces that contribute to the maintenance of stability in the sagittal plane of the patient are two The vertical reaction due to the support of the ischial tuberosity and the muscles of the gluteus on the ischial seat posteriorly created The anteroposterior reaction backwards due to the contact of the stump with the front wall of the socket which effect is to maintain the ischial tuberosity in place on the seat The negative peculiarity of this type of socket is that it is not able to ensure the stability in the frontal plane Under the effect of the contraction of the gluteus medius the stump will tend to move to abducted position with strong accumulation of pressure stresses on its distal lateral end and shear stresses in the perineal area IX The ischial containment socket was created in 1985 by John Sabolich and Tom Guth developing an idea of Ivan Long and with which is tried to overcome the problems of alignment of the femur in the frontal plane typical of the quad socket With this new type that has ellipsoidal shape if viewed in the transverse plane and therefore more physiological the femur is held in abducted position and the medial part of the ischium contained thus

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