The influence of residual limb and liner material properties on stress distribution in a transtibial amputee : a finite element analysis

The liner serves as the interface between the socket and the stump. It is an essential component of a transtibial prosthesis because it transfers loads and reduces pressures and shear strains on the residual limb. In reality, there is little information concerning this subject in the literature, therefore clinicians often choose the liner based on intuition, product literature, peer suggestions, or previous experiences. Gel liners based on elastomeric polymers such as silicone, urethane, and thermoplastic elastomer are commonly utilized. Focus of the work is a comparison of different material properties and loading conditions. To obtain it, a finite element analysis (FEA) on a patient specific transtibial prosthesis was implemented. Considering the scenarios, the first analysis simulated the donning procedure, that had the aim to reach the best fit on the stump. Then the standing upright and two phases of the walking stride, Foot Flat and Mid Stance, were evaluated. Contact pressures and shear stresses were analyzed at the interface between liner and stump, whereas Von Mises stresses were evaluated in the internal volume of the residual limb. In each mentioned phase the material properties of both liner and soft tissue were changed. These variations were made to verify how the stress distribution was influenced by the liner, and if a different description of the residual limb could modify the results. In general, regarding urethane and TPE seemed to be better than silicone, because they showed lower peak values, even if stress distribution was comparable in standing and Mid Stance. Instead, the most interesting results regarding changing the material properties of soft tissue were obtained studying the internal stress distribution inside the stump. Higher stress values were detected with stiffer residual limb, even if the stress distribution inside the soft tissue resulted unaffected by the change of the material properties.

La cuffia è l’interfaccia tra la protesi e il moncone. Essa ricopre un ruolo molto importante in una protesi per amputato transtibiale perché aiuta a trasferire i carichi e a ridurre le pressioni e gli sforzi di taglio sull’arto residuo. Ci sono pochi dati scientifici su questo argomento e per questo motivo i clinici spesso scelgono questo componente sulla base di intuizioni, letteratura, raccomandazioni da parte di colleghi o esperienza personale. I materiali generalmente utilizzati sono gel realizzati con un polimero elastomerico come il silicone, il poliuretano e un elastomero termoplastico. Lo studio si focalizza sul confronto di diverse proprietà dei materiali e condizioni di carico. Per ottenerlo, è stata implementata un’analisi agli elementi finiti (FEA) su una protesi per amputato transtibiale paziente-specifico. Per quanto riguarda gli scenari realizzati, una prima analisi ha simulato la fase di calzata, che ha lo scopo di raggiungere la miglior posizione sul moncone. Poi sono state valutate la postura eretta in appoggio bipodalico e le due fasi del passo di Foot Flat e Mid Stance. Le pressioni di contatto e gli sforzi di taglio sono stati analizzati all’interfaccia tra cuffia e moncone, mentre gli sforzi di Von Mises sono stati valutati nella parte interna dell’arto residuo. In ogni fase citata le proprietà del materiale sia della cuffia che dei tessuti molli sono state cambiate. Queste modifiche sono state apportate per verificare come la distribuzione degli sforzi fosse influenzata dalla cuffia, e se una diversa descrizione dell’arto residuo potesse modificare i risultati. Per quanto riguarda la cuffia, i cambiamenti sono stati notati prevalentemente all’interfaccia, quando sono stati valutati gli sforzi di picco normali e di taglio. In generale, il poliuretano e il TPE sembrano migliori rispetto al silicone dato che presentano valori di sforzo minori. Invece, i risultati più interessanti per quanto riguarda i cambiamenti nelle proprietà dei materiali dei tessuti molli sono ottenuti studiando gli sforzi interni nel moncone. Sforzi più elevati sono stati rilevati con un arto residuo più rigido, anche se la distribuzione degli sforzi nei tessuti molli risulta inalterata dal cambiamento di proprietà.