Design of an orthosis for the application of a myoelectrically driven FES device for tetraplegic users

This thesis project was carried out at the Don Carlo Gnocchi Foundation and concerns the development of an orthosis for the forearm that supports the MeCFES device, a functional electrical stimulator with myoelectric control, to facilitate its application in tetraplegic subjects. Tetraplegia occurs in the case of spinal injuries at the cervical level, manifests itself with total or partial paralysis of the limbs and involves a drastic reduction in the quality of life. In fact, people with this pathology have great difficulty in carrying out many daily actions independently. Thanks to MeCFES it is possible to restore the grip capacity of the hand, and therefore restore autonomy of the users to whom it is addressed. The developed orthosis aims to position the electrodes for stimulation and for the detection of the myoelectric signal in the correct points of the forearm automatically, so that users can wear this technology by themselves. The design has directly involved consumers, in order to meet their specific needs to overcome the problem of common disuse in assistive devices in the rehabilitation field. To overcome the economic barrier imposed by products that integrate similar technologies on the market, it was decided to make the device do-it-yourself: a design was therefore studied using the software Onshape, which allows free signup and editing of the shared document via cloud services, and instructions for its 3D printing and for the assembly of its components have been reported. The following project requirements have been set To validate the models, the following design requirements were considered: - Optimal fit, to keep the electrodes firmly in position in contact with the arm, to optimize the conduction of stimulation and avoid motion artefacts. - Support the physiological movements of the forearm, especially pronation and supination. - Comfortable, to be worn daily. - Easily worn independently by the user. - Do-it-yourself. The prototypes were realized thanks to the 3D printers made available by the research institute, and these were optimized in a joint way involving the Don Gnocchi team and a volunteer suffering from quadriplegia, met through the Niguarda hospital in Milan. As regards the final model, printing and experimental validation was not possible due to the Covid-19 emergency, simulations were therefore carried out with the Abaqus / CAE software to validate the choice of material and, through three-dimensional reconstruction of the forearm of three collaborators, the fit of the model was evaluated. It was therefore possible to verify that the prototype met the requirements

Questo progetto di tesi è stato realizzato presso la Fondazione Don Carlo Gnocchi e riguarda lo sviluppo di un’ortesi per l’avambraccio che supporti il dispositivo MeCFES, uno stimolatore elettrico funzionale con controllo mioelettrico, per facilitarne l’applicazione in soggetti tetraplegici. La tetraplegia si verifica in caso di lesioni spinali a livello cervicale, si manifesta con la paralisi totale o parziale degli arti e comporta una drastica riduzione della qualità di vita. Le persone affette da questa patologia, infatti, hanno grandi difficoltà a svolgere in autonomia molte azioni quotidiane. Grazie al MeCFES può essere rinstaurata la capacità prensile della mano, e quindi restituire indipendenza agli utenti a cui esso è rivolto. L’ortesi sviluppata ha l’obbiettivo di posizionare gli elettrodi per la stimolazione e per la rilevazione del segnale mioelettrico nei punti dell’avambraccio corretti in maniera automatica, in modo che gli utenti possano indossare questa tecnologia autonomamente. La progettazione ha coinvolto direttamente i consumatori, in modo da andare incontro alle loro esigenze specifiche per superare la problematica del disuso comune nei dispositivi di assistenza in ambito riabilitativo. Per superare inoltre la barriera economica imposta dai prodotti che integrano simili tecnologie in commercio, si è pensato di rendere il dispositivo fai da te: è stato quindi studiato un design tramite il software Onshape, che consente la registrazione gratuita e la modifica del documento condiviso tramite servizi cloud, e sono state riportate le istruzioni per la sua stampa in 3D e per l’assemblaggio delle sue componenti. Per validare i modelli, sono stati sono stati considerati i seguenti requisiti di progetto: - vestibilità ottimale, per tenere gli elettrodi saldamente in posizione sull’avambraccio e consentire la corretta stimolazione ed evitare artefatti da movimento - supporto dei movimenti fisiologici dell'avambraccio, in particolare la pronazione e la supinazione. - Confortevole , per uso quotidiano. - facilmente indossabile autonomamente dall’utente. - Fai da te I prototipi sono stati realizzati grazie alle stampanti 3D messe a disposizione dall’istituto di ricerca, e questi sono stati ottimizzati in maniera compartecipativa coinvolgendo il team del Don Gnocchi e una volontaria affetta da tetraplegia incontrata tramite l’ospedale Niguarda di Milano. Per quanto riguarda il modello finale non ne è stata possibile la stampa e la validazione sperimentale a causa dell’emergenza Covid-19, sono stati quindi realizzate delle simulazioni col software Abaqus/CAE per validare la scelta del materiale e, tramite ricostruzione tridimensionale dell’avambraccio di tre collaboratori, è stato valutato il fitting del modello. Si è quindi potuto verificare che il prototipo soddisfacesse i requisiti.