Topological optimization-driven design of lower limb prosthetic structural chassis: impact on metabolic cost and gait asymmetries

Recent studies about the human-centered design of biomedical devices have emphasized the detrimental impact of weight on both their physical usability and psychological acceptance. This concern is particularly relevant in the realm of prosthetics, where the perception of heaviness often correlates with device rejection. The principal objective of this master thesis was to investigate the feasibility of weight reduction of a partially powered lower limb prosthesis through the application of topology optimization, particularly the SIMP method, to the design of its structural frame. Firstly, a Finite Element Analysis (FEA) was used to characterize the stress-strain response of a pre-existing frame design. Subsequently, topology optimization was employed to reduce the weight of the frame while simultaneously minimizing its compliance. The optimized structural frame was then manufactured, resulting in a 43.5% reduction in weight. To validate the impact of the weight reduction obtained with the proposed structural optimization, experimental walking trials were conducted on a healthy subject equipped with an able-body adapter, a device that allowed him to walk with the use of the prosthesis. The objective was to measure the energy consumption and the main gait parameters. This was achieved through the use of a portable metabolimeter and sensors embedded into the prosthetic device. The implemented solution yielded a reduction of 10.4% in energy consumption during walking and improved walking symmetry. Specifically, the stance phase duration, expressed as a percentage of the stride cycle, improved to 60.4%, a value more closely aligned with literature data for healthy subjects (62.5%) compared to the stance duration measured with the previous frame design (56.3%). In the next phase, a second frame, referred to as the shell frame, was designed and topologically optimized to achieve a more ergonomic shape. The resulting component was integrated in the final prototype in the development of the prosthetic project, with a final weight of 0.289 kg, contributing to a total device mass of 2.15 kg.

Studi recenti hanno evidenziato che il peso dei dispositivi biomedici influisce negativamente sul loro utilizzo e sulla loro accettazione dal punto di vista psicologico da parte dei pazienti. Questa problematica è particolarmente rilevante nel campo delle protesi, dove la percezione di peso elevato spesso si associa al rifiuto del dispositivo. L’obiettivo principale di questa tesi di laurea è stato valutare la possibilità di ridurre il peso di una protesi parzialmente attiva per amputati transfemorali attraverso l’applicazione dell’ottimizzazione topologica, utilizzando il metodo SIMP, alla progettazione del suo telaio strutturale. Lo studio inizia con un’analisi agli elementi finiti applicata al telaio preesistente per caratterizzare la risposta stress-deformazione. Successivamente, è stato implementato un problema di ottimizzazione topologica per ridurre il peso contemporaneamente massimizzando la rigidezza del telaio. Si è realizzato il telaio ottenendo una riduzione del 43.5% del peso. Per convalidare il beneficio risultante dal metodo proposto, sono stati condotti test sperimentali, coinvolgendo un soggetto sano dotato di un adattatore, ovvero un dispositivo che permette di indossare la protesi e camminare appoggiandosi su di essa. Si è misurato il consumo energetico e sono stati ricavati i principali parametri del passo. In particolare, sono stati utilizzati un metabolimetro portatile e sensori disposti all’interno del dispositivo protesico. L’utilizzo della protesi alleggerita ha generato una diminuzione del consumo energetico durante la camminata del 10.4%, e miglioramenti nella simmetria del passo. In particolare, si è evidenziato un miglioramento della durata percentuale della fase di stance, equivalente al 60.4% del passo, avvicinandosi maggiormente ai valori di letteratura relativi a soggetti sani (62.5%), rispetto ai valori ottenuti con l’utilizzo del telaio originale (56.3%). In una fase successiva, è stato progettato un’ulteriore telaio con l’obiettivo di ottenere un design più ergonomico, a cui ci si riferisce con il nome di telaio a guscio, anche questo ottimizzato topologicamente. Il risultato ottenuto è stato considerato come prototipo definitivo nell’ambito del progetto della protesi. Questo componente è caratterizzato da un peso di 0.289 kg, generando una massa complessiva della protesi di 2.15 kg.