Analisi sperimentale e modellazione numerica dell'interazione tra l'invaso di una protesi di arto inferiore e l'arto residuo

This thesis is part of a research program directed to the virtualization of the designing and production process for lower limb prosthesis, named Socket Modeling Assistant. The thesis focuses on the techniques of evaluation of the comfort guaranteed by the designed socket. This evaluation is typically based on the contact pressure and thus, in order to quantify this comfort in the designing phase, we think that the most adequate technique is the Finite Element Method. But since we need to validate the numerical simulation with experimental measurement, with the aim of finding a good correlation between the resulting data, we developed the work described in this thesis. After analyzing the previous researches, I found out that there are not many about both the simulation part and the experimental analysis, moreover these deal mostly with the transtibial amputations. Other researches about the transfemoral cases propose experimental analyses separated from the numerical ones, with the consequent problem of comparing results between different subjects. The work has started with a period of investigation about the settings of the simulation software that could allow us to analyze the difficult problem of contact between residual limb and socket. In parallel a preliminary analysis has been developed about the pressure acquisition system. After having defined which are the setting considered to be the best ones for the experiments and having written the procedures shown in the text, it has been possible to execute a session of tests with a transfemoral patient. During this session both the patient and the actual socket were scanned to produce the geometrical models, that were after used in the simulations. Completed the FEM analyses, I discovered that the obtained pressure distribution is comparable to the experimental one. Thus the numerical method can be used as a valid support for production of components as personal as the sockets for lower limb prosthesis.

Questo lavoro di tesi fa parte di un programma di ricerca finalizzato alla virtualizzazione del processo di progettazione e di produzione per protesi di arto inferiore, denominato Socket Modeling Assistant. La tesi è focalizzata su tecniche per la valutazione del comfort garantito dall'invaso che viene progettato. Questa valutazione si basa tipicamente sulla pressione di contatto e quindi, per quantificare questo comfort in fase di progettazione, si pensa che il metodo più adeguato sia quello degli elementi finiti. Avendo però bisogno di validare la simulazione numerica con misure sperimentali, al fine di trovare una buona correlazione tra le informazioni risultanti, è stato sviluppato questo lavoro di tesi. Analizzando le ricerche precedenti, si è riscontrato che non sono molte quelle eseguite sia per la parte di simulazione che per la parte di analisi sperimentale, inoltre sono in gran parte riguardanti le amputazioni transtibiali. Altre ricerche riguardanti i casi di amputazioni transfemorali propongono analisi sperimentali separate da quelle numeriche, con il conseguente problema della comparazione dei risultati tra soggetti diversi. Si è partiti da una fase di indagine riguardante le impostazioni del software di simulazione che permettessero di analizzare il difficile problema del contatto tra invaso e moncone. In parallelo è stata condotta un'analisi preliminare riguardante il sistema di acquisizione delle pressioni. Definite quindi le opzioni considerate migliori per la sperimentazione e redatte le procedure riportate nel testo, è stato possibile eseguire una sessione di prove con un paziente transfemorale preso in esame. Durante tale sessione sono stati scansionati il paziente e l'invaso da cui sono stati ricavati i modelli geometrici, usati in seguito nelle simulazioni. Eseguite infine le analisi FEM, è stato riscontrato che la distribuzione delle pressioni ottenuta è paragonabile a quella sperimentale. Il metodo numerico può essere quindi un valido supporto per la produzione di componenti tanto soggettive quanto lo sono gli invasi per le protesi di arto inferiore.