Finite element analysis of the interaction between trans-femoral stump and prosthetic socket during donning, standing and walking

This Thesis is part of the development of a methodology focused on the virtualization of the designing and production process for lower limb prostheses, in particular for sockets for trans-femoral amputees. The custom-made design process, that follows the traditional method, deeply relies on the skills and experience of the prosthesist and it often results in inappropriate devices, increasing costs and time required to adapt them. In order to work around these improper projects, a virtual design process seems to be the best solution, the interaction between stump and socket is adopted as a comfort index. Using the Finite Element Method through the software Abaqus, contact pressure and shear stress are analysed at the interface, in order to lead to the design of a new socket. The socket has to generate a stress distribution that does not cause pain, both in terms of an excessive compression of critical areas and of skin abrasion, and it has to ensure stability during walking. After an analysis of the State of the Art, it has been found out that there are few studies about the stress at stump-socket interface; moreover, these deal mostly with the trans-tibial amputations. Other researches about the trans-femoral socket, often, use a model of the thigh only, neglecting the pelvis and gluteus, assume elastic materials only and neglect the friction at the socket-stump interface. Settings of the analysis are investigated. Starting from a previous work, parts, assembly and mesh have been acquired. This model consists of: femur, pelvis in two parts, residuum of a left trans-femoral amputee complete of gluteal region, liner that covers the stump and ischial containment socket. Material characterization of each element has been selected: bone structures are assumed as rigid bodies, the socket and the liner are modelled as elastic materials and the mechanical characterization of soft tissues is based on a Neo-Hookean model. Surface-to-surface contact has been defined at the interface between the external surface of the liner and the internal surface of the socket, with friction. Analyses of this work reproduce, in a computer-aided environment, tests that are conducted during the traditional production process of a socket. Firstly, the socket is donned on the stump. The donning procedure has been acquired by a previous work and only slightly modified with respect to it. Then, starting from the reached position, the socket is loaded in order to reproduce the standing position and analyse the state of stress generated by the load on the residuum. From this analysis, some problems in the socket designed shape are highlighted: stress is concentrated in limited areas, while others are completely unloaded. However, the maximum contact pressure, equal to 70 kPa, is acceptable. Finally, the most demanding positions of the walking phase, in terms of external forces, are selected. Their reproduction in a computer-aided environment allows to study the state of stress that the socket generates on the stump. Considering a model that includes pelvis and gluteus, the femur can be rotated in the angular position reached during walking. It has been evaluated whether the stability of the prosthesis during gait was ensured by the pressure distribution obtained by this socket shape. Contact pressure seems to be concentrated in an area which is too proximal, this leading to a low stability of the socket on the stump. Even in this case, maximum contact pressure, equal to 88 kPa, is lower than the limit of pain, which is equal to 100 kPa. In conclusion, the methodology exposed in this Thesis highlights defects of the socket design, without requiring the creation of a prototype of the prosthesis. Reproducing tests in a computer-aided environment allows to apply shape changes directly on the virtual model of the socket and to replicate the tests with the newly design model, until a shape of the socket that properly distributes stress is obtained. Only the latest version of the socket is thermoformed or 3D printed and tested on a real patient.

Questo lavoro di Tesi fa parte di un percorso volto allo sviluppo di un metodo per la virtualizzazione della progettazione e produzione di protesi di arto inferiore, in particolare per invasi di protesi per amputazioni trans-femorali. La progettazione di invasi paziente-specifici, eseguita secondo il metodo tradizionale, dipende fortemente dalle abilità del tecnico protesista e spesso ha come esito la produzione di dispositivi protesici inappropriati, che richiedono costi elevati e prolungate tempistiche del processo di adattamento. Per superare queste inadeguatezze, è risultato opportuno avvalersi di una modalità progettuale di tipo virtuale, utilizzando come indice di comfort della protesi l'interazione fra invaso e moncone. Sfruttando il Metodo agli Elementi Finiti tramite il software Abaqus, si analizzano la pressione di contatto e lo sforzo di taglio all'interfaccia, in modo da guidare la progettazione di un nuovo invaso. Esso deve essere tale da produrre una distribuzione di sforzi che non causi dolore, sia in termini di eccessiva compressione di aree critiche, che in termini di abrasione cutanea, e da assicurare stabilità durante tutte le fasi della camminata. Dopo aver analizzato lo stato dell'Arte, è emerso un esiguo numero di articoli relativi alla simulazione degli sforzi all'interfaccia invaso-moncone, inoltre, questa valutazione riguarda, spesso, amputazioni trans-tibiali. Ricerche che si riferiscono a casi trans-femorali, spesso, considerano modelli in cui è presente la sola coscia, trascurando bacino e glutei, assumono solo materiali elastici e trascurano la presenza di attrito all'interfaccia socket-moncone. Come punto di partenza del lavoro, sono state investigate le impostazioni necessarie all'analisi. A partire da un precedente lavoro di tesi, sono state ereditate le parti assemblate e la relativa mesh. Il modello comprende: femore, bacino suddiviso in due parti, moncone sinistro trans-femorale con relativi glutei, liner che riveste il moncone e invaso a contenimento ischiatico. La caratterizzazione dei materiali per gli elementi in analisi è stata così definita: si assume che le strutture ossee siano corpi rigidi, invaso e liner sono modellati come materiali elastici lineari e, infine, la caratterizzazione meccanica dei tessuti molli si basa su un modello di tipo Neo-Hooke. Il contatto, di tipo surface-to-surface, è stato definito esclusivamente fra la superficie esterna del liner e la superficie interna dell'invaso, con la presenza di attrito. Le analisi presentate in questo lavoro, eseguite in un ambiente computerizzato, riproducono i test che sono condotti durante il tradizionale processo di progettazione dell'invaso. Innanzitutto, l'invaso è calzato sul moncone. La procedura di calzata ricalca quella presentata nel lavoro, già citato, da cui questa tesi trae i modelli, se ne sono solo apportate leggere correzioni. Successivamente, a partire dalla posizione raggiunta al termine della calzata, l'invaso è sottoposto a carichi esterni che riproducano i carichi propri della posizione ortostatica. E' stato analizzato lo stato di sforzo sul moncone generato dall'applicazione di questi carichi sull'invaso. Alla luce di questa analisi, sono state evidenziate alcune problematiche che emergono dal disegno di protesi studiato: gli sforzi sono concentrati in aree limitate, mentre le restanti regioni della superficie del moncone sono scariche. I valori di pressione di contatto, pari a 70 kPa, sono, comunque, entro i limiti di accettabilità imposti. Infine, sono state individuate le posizioni assunte dall'arto durante il cammino considerate più critiche dal punto di vista delle forze esterne in gioco. Dopo averle riprodotte in ambiente assistito da calcolatore, è stato possibile studiare lo stato di sforzo che l'invaso determina sul moncone. Avendo modellizzato anche il bacino, il femore può essere ruotato riproducendo le posizioni angolari assunte durante la camminata. Si è valutato se la stabilità della prostesi è assicurata, durante il ciclo del passo, da un'opportuna distribuzione delle pressioni, influenzate dalla forma dell'invaso. Ne emerge che le pressioni di contatto appaiono concentrate in zone troppo prossimali, ciò condurrebbe a un fissaggio poco stabile dell'invaso sul moncone. Il valore massimo di pressione di contatto, pari a 88 kPa, si mantiene, comunque, al di sotto della soglia del dolore, pari a 100 kPa. In conclusione, il metodo presentato in questo lavoro di Tesi evidenzia i difetti nella progettazione dell'invaso, senza necessitare della creazione di un prototipo della protesi. Riprodurre i test in un ambiente virtuale permette di eseguire le modifiche necessarie direttamente sul modello della protesi, finché non si raggiunga una forma dell'invaso che distribuisca in modo ottimale gli sforzi. Soltanto questo ultimo invaso viene prodotto per termoformazione o stampato in 3D e realmente testato sul paziente.