Analisi agli elementi finiti degli sforzi d'interfaccia tra moncone e invasatura MAS e valutazione del ruolo assunto dal liner

This Theses is part of the finite element analysis conducted on prostheses for lower limb amputees. In literature, most of the articles are focused on the analysis of transtibial prostheses, and studies on transfemoral devices are unusual and mostly dedicated to the analysis of ischial containment sockets (IC). Unlike previous studies, the analyzed case considers the Marlo Analomical Socket device (MAS) a particular type of transfemoral socket that guarantees a reduced energy cost of walking and promotes better mobility. The designed prosthesis consists in a silicone socket and a rigid external frame made of carbon fiber, which geometries have been provided by ITOP S.p.A. Officine Ortopediche. In addition to the prosthesis, the company also made available the scan of the amputee's stump. The entire analysis was carried out in AbaqusCAE and the considered model includes socket, frame, the three rigid components of femur and iliac bones and soft tissues. The model is compared to a second model in which, the presence of a liner on the stup is considered the presence of liner in order to evaluate the advantages from its use. A first analysis is represented by the study of Interference to check if the initial overclosure can be resolved, given the final position imposed on the prosthesis. This analysis shows that, although the interference is successfully resolved, a physically correct results is obtained thanks to a torque which prevents the prosthesis from assuming a wrong position. A more complex analysis is then carried out to simulate the donning procedure, in which a vertical translation is imposed to the socket so that it reaches the previously assumed final position. The comparison between the two studies proves that the first, although simpler, without imposed constraints, provides physically unreliable results, while the second, more complex, allows to obtain a realistic donning procedure. The results of the donning phase showed that the maximum pressure values are lower than the pain threshold of 100 lPa. Moreover, as regards the pressure distribution, the presence of the liner would seem to be an advantage. In order to investigate the role of the liner, a further analysis was carried out; in this , to study the pressures on the interface. The results obtained from the analysis of the model presents the stump and the liner separated from each other also confirm the advantages of using liner, as the values found on the stump do not have high peaks and are characterized by an homogeneous distribution. For this reason, the subsequent analysis, carried out to study the orthostatic load, takes into account only the model with the liner. The reached pressures are acceptable and close to the pain threshold, although the application of the maximum load occours by imposing simplifications in order to reach the convergence of the analysis. All the analysis carried out, except for the interference, consider the presence of a friction coefficient of 0.5 at the interface between the socket and the stump. Due to its complexity, in order to evaluate the reaction of the system to this coefficient variation, a sensitivity analysis was carried out. In conclusion, the analysis carried out shows that the position taken by the MAS socket removes the load on the ischial area and the lower area of the gluteus maximus. This ratifies the advantages deriving from the use of MAS socket compared to the ischial containment socket(IC), especially in terms of greater mobility.

Il lavoro presentato in questa tesi si colloca nell’ambito delle analisi agli elementi finiti condotte su protesi per amputati di arto inferiore. In letteratura la maggior parte degli articoli è incentrata sull’analisi di protesi transtibiali, mentre gli studi su dispositivi transfemorali sono poco frequenti e per lo più dedicati all’analisi delle protesi a contenimento ischiatico (IC). Il caso analizzato, a differenza degli studi precedenti, considera il dispositivo Marlo Analomical Socket (MAS ®), un particolare tipo di invaso transfemorale che garantisce un ridotto costo energetico durante il cammino e favorisce una migliore mobilità. La protesi studiata è composta da un invaso siliconico e da un telaio rigido esterno in fibre di carbonio, le cui geometrie sono state fornite da ITOP S.p.A. Officine Ortopediche. Oltre alla protesi l’azienda ha reso disponibile anche la scansione del moncone dell’amputato. L’intera analisi è stata effettuata in ambiente AbaqusCAE dove è stato importato il modello comprensivo di invaso, telaio, i tessuti molli, e tre componenti rigide di femore e ossa iliache. Il modello così strutturato viene confrontato con un secondo modello in cui, in aggiunta al moncone, viene considerata la presenza del liner per valutarne i vantaggi derivanti dall’utilizzo. Una prima analisi è rappresentata dallo studio dell’Interferenza durante il quale si valuta se, nella posizione finale imposta alla protesi, la sovrapposizione iniziale è risolvibile. Da questa analisi si evince che, nonostante l’interferenza venga risolta con successo, l’ottenimento dei risultati fisicamente corretto è vincolato alla presenza di un momento torcente che impedisce alla protesi di assumere una posizione scorretta. Successivamente viene effettuata un’analisi più complessa per simulare il processo di calzata, nel quale viene imposta una traslazione verticale all’invaso affinchè raggiunga la posizione finale precedentemente ipotizzata. Dal confronto tra i due studi si evince che il primo, benché sia più semplice, in assenza di vincoli imposti, fornisce risultati fisicamente poco attendibili, mentre il secondo, più complesso, permette di ottenere un quadro realistico della fase di calzata. Dai risultati della calzata è emerso che i massimi valori di pressione sono inferiori alla soglia del dolore di 100 kPa, inoltre, per quanto riguarda la loro distribuzione, la presenza del liner sembrerebbe essere un vantaggio. Anche i risultati ottenuti analizzando le pressioni all’interfaccia tra liner e moncone supportano questa ipotesi, in quanto i valori riscontrati sul moncone non presentano picchi elevati e sono caratterizzati da una distribuzione omogenea. Per questa ragione la successiva analisi, svolta per studiare il carico ortostatico, prende in considerazione solo il modello comprensivo di liner. Le pressioni raggiunte risultano accettabili in quanto prossime alla soglia del dolore, nonostante l’applicazione del carico massimo sia ottenuta imponendo semplificazioni dettate dalla necessità di portare l’analisi a convergenza. Tutte le analisi effettuate, fatta eccezione per l’interferenza, considerano all’interfaccia tra invaso e moncone la presenza di un coefficiente di attrito pari a 0.5. Data la complessità nel definirlo è stata realizzata un’analisi di sensitività per valutare il comportamento del sistema al variare di questo coefficiente, in fase di calzata, in cui l’attrito riveste un ruolo particolarmente significativo. In conclusione le analisi effettuate mostrano che la posizione assunta dall’invaso MAS® permette di scaricare l’area ischiatica e la zona inferiore del grande gluteo. Questo conferma i vantaggi derivanti dall’utilizzo dell’invaso MAS® rispetto ai dispositivi a contenimento ischiatico (IC) soprattutto in termini di maggiore mobilità.