Finite element analysis of socket optimization in accordance with the deformation of external surface of the stump

Lower limb amputation occurs due to several reasons including diabetes, trauma, malignancy and congenital abnormalities. Transtibial ablation is one of the common below knee amputations in which the leg is eliminated below the knee. The care and rehabilitation of the limb after amputation is substantially important challenge. The successful rehabilitation outcome with a prosthetic limb is contingent upon comfortable prosthesis and appropriate load transfer at the residual limb and prosthesis interface. This project investigates the state-of-the-art finite element analysis of socket optimization based on the deformations of the stump. To accomplish this primary ambition, we imposed pressure on the external surface of the soft tissue residuum until the desired reaction force which emerges from the percentage of body weight, was acquired. Consequently, the moments were commensurate with the data obtained from the gait analysis of human movement impeding the incidence of severe problems. In this case, since the model is based on a real patient, the image acquisition was obtained by the virtue of magnetic resonance imaging technique in the DICOM format file. After that, segmentations were performed by utilizing the Mimics medical image software and extracted the 3D surface of bones, muscles, fats, cartilages and skin for further simulations. The aim is to reach a prototype in order to improve the shape of the socket. Thus, the simulation was carried out by considering different scenarios of material properties for soft tissue in order to approach the real model. The turning point was that hyperelastic material underwent large deformations and resulted in higher peak values of stress and strain with respect to linear elastic assumption while all these discrepancies occur in the physiological condition. Hence, this model can be accounted as a paradigm for the development of the socket.

L’amputazione di arti inferiori può accadere per diverse motivazioni, tra cui diabete, eventi traumatici, tumori e deformazioni congenite. L’ablazione transtibiale è una delle più comuni tipologie di amputazione che avvengono sotto al ginocchio, nella quale la gamba viene rimossa al di sotto di questa articolazione. La cura e la riabilitazione dell’arto dopo l’amputazione è una grande sfida. Le conseguenze di una riabilitazione di successo con un arto artificiale si traduce in un maggiore comfort relazionato all’uso della protesi e una corretta distribuzione del carico nell’interfaccia tra l’arto residuo e la superficie interna della protesi. Questo progetto analizza lo stato dell’arte dell’analisi agli elementi finiti per l’ottimizzazione del socket protesico basato sulle deformazioni del moncone. Per raggiungere questo obiettivo primario, abbiamo imposto delle pressioni distribuite sulla superficie esterna del moncone, principalmente costituito da tessuti molli, finché non si è ottenuta la reazione vincolare desiderata in percentuali di peso corporeo. Di conseguenza, i momenti angolari sono risultati comparabili con dati sperimentali ottenuti da gait analysis su pazienti reali, così escludendo possibili problematiche e ripercussioni a livello dei tessuti interni. In questo caso, in quanto il modello è basato su un paziente reale, l’acquizione di immagini è stata ottenuta tramite risonanza magnetica, ottentendo come output dei file DICOM. Di seguito, la segmentazione è stata svolta utilizzando il software Mimics Medical Image, estraendo così le superfici tridimensionali di ossa, muscoli, grasso, cartilagini e pelle per ulteriori simulazioni. Lo scopo è raggiungere un prototipo che possa migliorare la forma del socket. In questo modo, le simulazioni sono state svolte considerando diversi scenari per quanto riguarda le proprietà dei materiali, nel tentativo di avvicinarsi ad un modello il più simile possibile al caso reale. Ciò si è tradotto, nei materiali iperelastici, a maggiori deformazioni che si sono riflettute in valori di picco più alti per quanto riguarda sforzi e deformazioni rispetto al caso elastico, dove tutte queste caratteristiche avvengono in un range fisiologico. Perciò, questo modello può essere considerato come un paradigma per lo sviluppo del socket.