Prosthetic socket design based on parametric surface models

The surgical amputation of an upper or lower limb leads to a highly disabling condition for the patient. To improve the amputees’ quality of life, it's crucial to address the development of comfortable, reliable, and custom-made limb prostheses. The prosthetic component constituting the interface between the device and the residual limb of the patient is the prosthetic socket, which is a highly customized component, that should adapt to the specific anatomy of the patient’s limb. Traditionally, the production of such personalized sockets involves manual, handcrafted, and iterative operations. However, to optimize the prosthesis design phase, the development of computer-assisted procedures to design and manufacture custom-fit sockets represents a substantial improvement. These new Computer-Aided Design/Manufacturing (CAD/CAM) technologies should provide more automated design methodologies and should integrate tools to evaluate the performances of the virtually designed sockets. It is important to understand that those systems are not designed to substitute the experience and skills of prosthetists, which will always play a pivotal role in the process, but will improve the design phase, benefiting both the patient and the technician. Having analysed what has been done and what may be improved in the state of the art about this topic, the present study is focused on the development of a generic virtual modelling workflow, enabling the user to obtain the virtual model of a customized socket, starting from a virtual representation of the patient’s residuum and integrating tools for the evaluation of the output socket performances. The proposed virtual workflow will be based on the use of NURBS surfaces for the virtual modelling of the residuum and socket geometries, since this tool allows a simple and user-friendly design solution, but it will also enable the generation of a parametric model of the residuum through the individuation of key parameters and their modification. The developed workflow will also embed a statistical shape model (SSM), which will be used to retrieve the position of meaningful anatomical sites on a generic input residuum and will show the potentialities deriving from the development of more accurate SSMs, which could be used also as source of the residuum’s geometry, if they reach a proper statistical robustness. The presented workflow will also provide a tool for the generation of a map of the pain thresholds on the residuum, which will be used as a quantitative reference for the evaluation of the pressure distribution generated by the designed socket. This tool will allow to take into consideration different pain thresholds associated with specific local areas of the residuum, characterized for example by presence of scars, underlying bony structures or other factors.

L'amputazione chirurgica di un arto, sia esso superiore o inferiore, porta a una condizione altamente invalidante per il paziente. Per migliorare la qualità di vita dei soggetti amputati, è cruciale affrontare lo sviluppo di protesi personalizzate confortevoli e affidabili. Il componente protesico che costituisce l'interfaccia tra il dispositivo e l'arto residuo del paziente è l’invaso (socket), che è un componente altamente personalizzato, progettato per adattarsi all'anatomia specifica dell'arto del paziente. Tradizionalmente, la produzione di questi componenti personalizzati comporta operazioni artigianali e iterative. Tuttavia, per ottimizzare la fase di progettazione delle protesi, lo sviluppo di procedure virtuali per progettare e fabbricare socket su misura rappresenta un miglioramento sostanziale. Queste nuove tecnologie di progettazione e produzione digitali dovrebbero fornire metodologie di progettazione più automatizzate e dovrebbero integrare strumenti per valutare le prestazioni degli invasi progettati virtualmente. È tuttavia importante comprendere che tali sistemi non sono progettati per sostituire l'esperienza e le competenze dei protesisti, che avranno sempre un ruolo centrale nel processo, ma miglioreranno la fase di progettazione, beneficiando sia il paziente che il tecnico. Dopo aver analizzato ciò che già è stato fatto e cosa può essere ancora migliorato nello stato dell'arte, il presente studio si concentra sullo sviluppo di un flusso di lavoro virtuale generico, che consente all'utente di creare digitalmente un socket personalizzato a partire da un modello virtuale del moncone del paziente ed integra strumenti per la valutazione delle prestazioni dell’invaso prodotto. Il flusso di lavoro virtuale proposto sarà basato sull'utilizzo di superfici NURBS per la modellazione delle superfici del residuo e del socket, poiché questo strumento consente una soluzione di progettazione semplice e user-friendly. L’utilizzo della modellazione NURBS consentirà anche la generazione di un modello parametrico del residuo, attraverso l'individuazione di parametri chiave e la loro modifica. Il flusso di lavoro sviluppato includerà anche un modello statistico della forma del moncone, che verrà utilizzato per determinare in modo automatico la posizione di particolari siti anatomici su un generico moncone virtuale. Verranno inoltre mostrate le potenzialità derivanti dallo sviluppo di modelli statistici più accurati, che potrebbero essere utilizzati anche come fonte della geometria del moncone, se raggiungeranno un’adeguata robustezza statistica. Il flusso di lavoro presentato fornirà anche uno strumento per la generazione di una mappa delle soglie del dolore sul moncone, che verrà utilizzata come riferimento quantitativo per valutare la distribuzione delle pressioni generata dall’invaso progettato. Questo strumento consentirà di tenere in considerazione diverse soglie del dolore associate a specifiche aree locali del moncone, caratterizzate ad esempio dalla presenza di cicatrici, strutture ossee sottostanti o altri fattori.