Amputazioni transfemorali : studio progettuale di un ginocchio multi assiale controllato meccanicamente

Lower limb amputation represents a dramatic event for the amputee because it causes anatomical limitation that involves functional, psychological and social field. In Italy transfemoral amputation affects 33% of cases of amputation and it consists in cutting at the level of midpoint of femora and in severing of thigh muscles. In this case, the condition of the amputee is the absence of the two joints (knee and ankle) and the only possibility of the muscle is to control the flexibility and the extension of the hip. On the market there is a wide range of products for transfemoral amputee that are classified accordingly to the degree of mobility, the kind of knee mechanism or prosthetic foot used, the kind of socket and connecting parts. Using the wide possibilities of the software SimWise 4D, virtual models of prostheses, currently on the market and available at TbmLab of Politecnico di Milano, were created. The prostheses analyzed are Otto-Bock 3R60, Otto-Bock 3R36, Ossur Total Knee 2000 and Panini. These models, put in particular simulations, allow the calculation of the following parameters: trajectory of Instantaneous Center of Rotation; Hip-Toe distance; Apparent Shank Shortening and Apparent Ankle Dorsi-flexion; Toe clearance and Heel clearance; vertical displacement of center of mass during walking; expenditure of energy during walking; recovery index. Carried out a study of the parameters considered most important, the next phase consisted in a design of polycentric knee mechanically controlled. The design starts considering the particular trajectory of CIR and the apparent shank shortening identified by Ossur Total Knee 2000. This device, 6-bar linkage, considered more suitable by many patients regarding stability and control in dynamic phase, is also one of more expensive models for its complexity of mechanism. The purpose of this work is to find a simple configuration that has the same kinematic behavior. Starting to preliminary 4-bar linkage configuration, it has been designed a polycentric device with two rotation axis. This mechanism, with elastic elements, carries out a flexion with CIR that moves from the superior revolute joint to the inferior revolute joint position. After testing stability during unloading phase of new mechanism, characterization of elastic elements within new mechanism was done through walking simulations. Using a 3D modeling software, I obtained components of mechanism designed to allow the creation of prototype by Roadrunnerfoot Engineering.

L'amputazione di arto inferiore rappresenta un evento drammatico per il soggetto amputato, comportando limitazioni anatomiche che si ripercuotono sia sul piano funzionale che in quello psicologico e sociale. L'amputazione a livello transfemorale riguarda il 33% dei casi di amputazione in Italia, e prevede il taglio a livello del punto medio del femore e la recisione dei muscoli della coscia. Il soggetto amputato si trova così nella condizione di assenza di due articolazioni (ginocchio e caviglia) e con l'unica possibilità di controllo muscolare a livello dei muscoli flessori e estensori dell'anca. In commercio è disponibile una vasta gamma di prodotti per amputati transfemorali, i quali possono essere classificati a seconda del grado di mobilità del paziente, della tipologia di meccanismo di ginocchio, del tipo di piede protesico utilizzato, dell'invasatura e delle parti di collegamento. Sfruttando le ampie possibilità del software Sim Wise 4D, si sono creati dei modelli virtuali di protesi attualmente in commercio e disponibili presso il TbmLab del Politecnico di Milano: Otto-Bock 3R60, Otto-Bock 3R36, Ossur Total Knee 2000 e manufatto Panini. Tali modelli, una volta inseriti in simulazioni di flessione di ginocchio e del cammino, hanno permesso il calcolo dei seguenti parametri: traiettorie dei Centri di Istantanea Rotazione; Hip-Toe distance; Apparent Shank Shortening e Apparent Ankle Dorsiflexion; Toe clearance e Heel clearance; spostamento verticale del baricentro; energia spesa nel cammino; indice di recovery. Ottenuto un quadro generale dei parametri ritenuti più influenti rispetto alle prestazioni di un ginocchio per protesi meccanica esterna, si è passati alla fase di studio progettuale di un ginocchio policentrico a controllo meccanico. Grande importanza è stata riservata alla traiettoria del CIR per la protesi 6-bar linkage TK2000. Essa, giudicata da numerosi pazienti come la protesi dalle prestazioni migliori per quanto riguarda la stabilità e il controllo in fase dinamica, ha mostrato un comportamento insolito che si è voluto tenere in considerazione per lo studio progettuale. Dalla configurazione a quadrilatero articolato preliminare progettata si è poi passati ad una struttura ancora più semplice. L'aspetto legato all'andamento della traiettoria del CIR è stato estremizzato progettando un dispositivo policentrico a due assi di rotazione. Effettuate delle prove sulla nuova protesi per testare la stabilità del meccanismo durante la fase di unloading, si è passati alla caratterizzazione degli elementi elastici all'interno del meccanismo, analizzando la cinematica del nuovo dispositivo. Utilizzando un software di modellazione 3D, sono stati ottenuti i componenti del meccanismo progettato, grazie ai quali è stato realizzato il prototipo da parte di Roadrunnerfoot Engineering.