Progettazione e sviluppo di un dispositivo attivo personalizzato per il supporto del cammino in pazienti affetti da piede cadente

Foot drop is a neuromuscular dysfunction that hinders the foot dorsiflexion, thus limiting walking ability. Patients affected by this syndrome shows an increased risk of fall. Active devices currently available for foot drop syndrome support are bulky, heavy and difficult to customize, thus not yet widespread on the market. The preferred solutions are passive and rigid orthopedic braces that completely block the ankle causing changes in gait cinematic. This thesis project aims to realize an active, lightweight and customizable device able to correctly guide the foot in the dorsiflexion movement. The system is actuated using Bowden cables, the motor and control system are located in the lumbar region and cables transmit the forces to the ankle area where the device is located. First, we performed an evaluation of the forces and speeds needed in order to actuate the device, then we designed the actuation system and realized a Nylon orthoses with the most recent 3D printing technologies. The control system has been developed using the Arduino board, the code running on the device controls the activation time of the motor using a sensor located under the heel. In order to verify the correct operating principle we performed multiple gait analysis on a healthy subject using the optoelectronic system available at Istituto Ortopedico Galeazzi in Milan. The results of data analysis showed that the device is able to produce the forces and speed required to correctly support the foot during swing and loading response. The subject wearing the device during the tests reported a positive feeling regarding the overall usability of the system. The device is lightweight and small, customizable on the specific anatomy of the user and can represent, when the timing of the activation will be optimized, a valid alternative to current devices in the support of foot drop syndrome.

Il termine piede cadente, in medicina, indica un disordine neuromuscolare caratterizzato dall’impossibilità di flettere dorsalmente il piede durante il cammino. I pazienti mostrano evidenti difficoltà nella deambulazione e un aumentato rischio di caduta. I dispositivi attivi per il supporto del piede cadente attualmente presenti in letteratura sono molto ingombranti, pesanti e difficilmente personalizzabili, e pertanto non ancora diffusi come prodotti commerciali. Le soluzioni attualmente adottate consistono in tutori o ortesi rigide passive che immobilizzano la caviglia causando un’inevitabile modifica della cinematica del passo. La tesi si pone l’obiettivo di realizzare un dispositivo attivo dal peso ridotto, personalizzabile sul singolo utente, in grado di indurre il corretto movimento dorsiflessorio del piede. Il sistema è basato sull’attuazione mediante cavi, il motore è posto a livello lombare e il moto viene trasferito all’ortesi, applicata alla caviglia, tramite l’utilizzo di guaine. Dopo una valutazione delle specifiche di forza e velocità richieste, è stato progettato il sistema di attuazione e realizzato il modello cad dell’ortesi che è stata stampata in Nylon mediante tecnica di stampa 3D. Il sistema di controllo è stato realizzato sfruttando la piattaforma Arduino, il codice che gestisce il sistema permette l’attivazione del motore temporizzata sulla base di un sensore posto sul tallone. Per verificare il funzionamento sono state effettuate prove di analisi del cammino su soggetto sano utilizzando il sistema optoelettronico del laboratorio di analisi del cammino dell’Istituto Ortopedico Galeazzi di Milano. Dall’analisi dei dati raccolti è emerso che il dispositivo è in grado di produrre le forze e velocità richieste per il supporto del piede durante la fase di volo e primo appoggio del cammino. Il soggetto che ha indossato l’ortesi durante i test ha riportato una percezione positiva dell’usabilità complessiva del sistema. Il dispositivo realizzato è leggero e di dimensioni ridotte, personalizzabile sull’anatomia specifica del singolo utente e potrà costituire, dopo un processo di ottimizzazione del sincronismo di attivazione, un’alternativa agli attuali dispositivi di supporto alla sindrome da piede cadente.