Studio sperimentale e numerico di protesi transtibiale per cammino e nuoto

This thesis was developed at Department of Mechanics in Politecnico di Milano. The purpose of this work was the study of a modular ambivalent prosthesis designed by INAIL, aimed at both walking and swimming on transtibial amputees. In order to make a structural control and the homologation of the ankle prosthesis, experimental tests on the prosthesis structure and the prosthetic feet available were performed, to studying their static behaviour. Fatigue was not considered due to the reduced number of cycles required to the device. The geometry of two different prosthetic feet were acquired, by means of reverse engineering techniques. In addition, an FE model was developed, by using the acquired experimental data, to simulate the static response of the whole prosthesis (ankle and prosthetic foot). It was possible to reproduce the loading conditions required by the standards, by studying the entire prosthesis, including the most critical structural details. In the last part of this work, the prosthesis behaviour in the swimming configuration was simulated, for each foot available, by providing the feet with swimming fins. Moreover, a fatigue test in the swimming condition was performed. Finally, a research was made to evaluate the possibility of manufacturing the swimming prosthesis with materials cheaper than the titanium alloys, which are commonly used, while satisfying the requirements in terms structural and corrosion resistance.

Questa tesi è stata svolta presso il Dipartimento di Meccanica del Politecnico di Milano. L'obiettivo è stato lo studio di un ausilio protesico modulare ambivalente sviluppato da INAIL, destinato all'utilizzo per cammino e nuoto su pazienti che hanno subìto un'amputazione di tipo transtibiale. Con lo scopo di effettuare una verifica strutturale e l'omologazione secondo normativa vigente della protesi di caviglia, si sono effettuate prove sperimentali sulla struttura della protesi e sui piedi protesici a disposizione, indagando la loro risposta alle sollecitazioni statiche. Non è stata considerata la fatica a causa del ridotto numero di cicli richiesto al dispositivo. Attraverso l'utilizzo di tecniche di reverse engineering si sono acquisite le geometrie di differenti piedi protesici. In parallelo si è creato e validato, utilizzando i dati sperimentali e geometrici raccolti, un modello numerico ad elementi finiti in grado di simulare la risposta statica della protesi completa (caviglia protesica con piede). Si sono ricreate le condizioni di carico imposte dalla normativa, studiando la protesi nella sua interezza e i particolari di dettaglio più critici sotto il profilo strutturale. La parte finale è stata dedicata alla simulazione della condizione di protesi in configurazione da nuoto per ciascun piede protesico a disposizione equipaggiato con pinne, effettuando una verifica a fatica in questa condizione. Infine, si è valutata la possibilità di realizzare la protesi da bagno con materiali più economici della lega di titanio utilizzata attualmente, mantenendo intatte le richieste di resistenza strutturale, di funzionalità e di resistenza alla corrosione.