Tesi di laurea di: Matteo Zani matr Relatore: Chiar.mo Prof. Tomaso Maria Tobia Villa Co-relatore: Chiar.mo Ing. PhD Daniele Bonacini

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1 LABORATORY OF BIOLOGICAL STRUCTURE MECHANICS Progettazione e sviluppo di un ortesi AFO (Ankle Foot Orthesis) innovativa in materiale composito Milano, 3 maggio 2010 Tesi di laurea di: Matteo Zani matr Relatore: Chiar.mo Prof. Tomaso Maria Tobia Villa Co-relatore: Chiar.mo Ing. PhD Daniele Bonacini

2 2 Progettazione e sviluppo di un ortesi AFO innovativa in materiale composito 1. Introduzione 2. Analisi delle performance funzionali ortesi in commercio 3. Definizione delle specifiche di progetto nuova ortesi AFO 4. Scelta delle geometrie e dei materiali 5. Validazione funzionale delle scelte progettuali 6. Validazione meccanica delle scelte progettuali 7. Conclusioni e sviluppi futuri

3 1. Introduzione: il ciclo del passo 3 Ciclo del passo Intervallo di tempo tra due contatti iniziali successivi dello stesso piede Riferimento temporale in cui vengono descritti gli eventi biomeccanici e l attività muscolare correlata. 0-2% 10-30% % Y X INITIAL CONTACT MID STANCE TOE OFF Quadricipite femorale Hamstrings Tibiale anteriore Gastrocnemio-soleo Attivazione muscolare 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100%

4 1. Introduzione: patologie che causano deficit funzionali dell arto inferiore 4 Patologie morfologiche VALGO VARO Piede piatto: insufficienza muscoli cavizzanti Piede cavo: ipertono dei muscoli cavizzanti. Piede equino: ipertono dei muscoli del polpaccio camminata con andamento falciante Ginocchio valgo /varo: disallineamento tra tratto femorale e tibiale passo più ampio e un traslamento laterale del tronco. Disturbi del sistema nervoso Paralisi cerebrale infantile: alterazioni della funzione cerebrale prima che il soggetto abbia completato il suo sviluppo. Paralisi: diplegia, emiplegia, tetraplegia SPI SPE Deficit del nervo SPE: ipostenia muscoli anteriori e laterali della gamba deficit nella dorsiflessione ed eversione del piede Deficit dello SPI: ipostenia muscoli posteriori della gamba deficit nella plantarflessione Neuropatia di Charcot Marie Tooth: colpisce il Sistema nervoso centrale indebolimento e l atrofia dei muscoli degli arti inferiori e superiori.

5 5 1. Introduzione: le ortesi Ortesi: dispositivo esterno utilizzato al fine di modificare le caratteristiche strutturali o funzionali dell' apparato neuro - muscolo - scheletrico Organizzazione Internazionale degli Standard (ISO) Classificazione ISO: FO - Foot Orthesis AFO Ankle Foot Orthesis KO Knee Orthesis KAFO - Knee Ankle Foot Orthesis HKAFO - Hip Knee Ankle Foot Orthesis THKAFO - Trunk Hip Ankle Foot Orthesis

6 1. Introduzione: le ortesi AFO 6 Specifiche funzionali dei tutori AFO limitazione della plantarflessione (1) mantenimento della naturale dorsiflessione (2) contenimento medio laterale (3) possibilità di contributo propulsivo scelta della geometria scelta del sistema di presa scelta dei materiali Presa posteriore Analisi del mercato AFO RIGIDE AFO ARTICOLATE AFO DINAMICHE Presa anteriore Presa posteriore Presa anteriore

7 2. Analisi della performance funzionali delle ortesi in commercio: gait analysis con tutore 7 Strumentazione e modalità Piattaforme di forza Rilevazione forza scambiate al terreno Sistema optoelettronico 8 telecamere Coordinate tridimensionali dei marche e relativa cinematica Elettromiografo telemetrico Attività muscolare gastrocnemio-soleo e tibiale anteriore Protocollo di posizionamento markers 20 markers anatomici (Protocollo DAVIS) Modalità 1 gait a piedi nudi senza tutore 4 gait con tutore Paziente Maschio, 34 anni, 69 kg, 1,80 m - Deficit SPE Gait analysis con tutore Sessione 1: Tutore Walk on Otto Bock Sessione 2: Tutore Afo-light Ossur Sessione 3: Tutore Leaf spring Ossur Sessione 4: Tutore AFO 28U9 Otto Bock

8 3.c Modello biomeccanico 8 Posizione relativa tra i due segmenti corporei riferimento alla linea di terra Fx ed Fy (% sul peso corporeo) Initial contact Toe off Mid stance da letteratura calcolati

9 2. Analisi della performance funzionali delle ortesi in commercio: gait analysis analisi dati 9 Cinematica: traiettorie marker condilo femorale ginocchio 0 Tempo [sec] 0,7 1,4 (senza tutore) Piedi nudi: sollevamento marcato del ginocchio per compensazione del deficit dorsiflessorio Coordin nata y [m] Y (*) Gait con tutore: ginocchio più radente al terreno X avanzamento andamento paragonabile all arto sano Coordinata x [m] (*) Tutore Afo Light Ossur considerato rappresentativo per migliore prestazione Gait con tutore Riduzione delle coordinata verticale del ginocchio Capacità del tutore di sostenere l avampiede in fase di volo

10 2. Analisi della performance funzionali delle ortesi in commercio: gait analysis analisi dati 10 Dinamica gait con tutore: forza verticale Fy Forza [% peso corporeo] IC IC MS tutore MS sano TO MS tutore TO MS sano Arto con TUTORE (*) Arto sano Normalità Propulsione in senso verticale: % fase di stance Ritardo raggiungimento primo picco (accettazione peso corporeo): mancanza di stabilità antero posteriore caricamento parziale del tutore Range Forza 1 picco - plateau: ammortizzazione nella fase successiva al mid stance Valore di forza corrispondente al 2 picco (*) Tutore Walk on Otto Bock considerato rappresentativo per maggiori limiti

11 2. Analisi della performance funzionali delle ortesi in commercio: gait analysis analisi dati 11 Dinamica gait con tutore: forza orizzontale Fx Forza [% peso corporeo] IC IC MS tutore MS sano 2 TO MS tutore TO MS sano Arto con TUTORE Otto Bock Arto con TUTORE Ossur Normalità 1 Propulsione in senso orizzontale: % fase di stance Valore di forza corrispondente al 2 picco Tratto con Forza negativa: decelerazione dell arto assorbimento di Energia (area 1) Tratto con Forza positiva: accelerazione dell arto rilascio di energia accumulata nella prima fase (area 2)

12 2. Analisi della performance funzionali delle ortesi in commercio: gait analysis analisi dati 12 Attività muscolare: tracciato EMG Gastrocnemio-soleo Tibiale anteriore GASTROCNEMIO-SOLEO fisiologico TIBIALE ANTERIORE deficit Gastrocnemio-soleo Tibiale anteriore Normalità segnale acquisito Gastrocnemio-soleo Tibiale anteriore Come presumibile a priori il tutore non modifica in nessun modo l attività muscolare del soggetto

13 3. Definizione delle specifiche di progetto nuova ortesi AFO 13 PARAMETRO SPECIFICHE di PROGETTO SCELTE PROGETTUALI Cinematica Cammino fluido e traiettoria ginocchio rasente al terreno Geometria posteriore + 2 punti di presa Fy plateau Capacità ammortizzante 2 punti di presa: prossimale e 2/3 distale buona elasticità in dorsi / plantarflessione Propulsione antero-posteriore Fx Elevata efficienza energetica E rilasciata / E assorbita Stratificazione del materiale composito e soletta a geometria innovativa Fy - Fx 2 picco Contatto con la cute Affidabilità Migliorare bilanciamento tra componente verticale e orizzontale Compatibilità biologica Affidabilità strutturale e funzionale scelta della geometria scelta dei materiali compositi Materiali atossici e anallergici Etivinilacetato e Plastazote Scelta della geometria e dei materiali

14 14 4.a Scelta delle geometrie Disegno CAD Geometria della soletta Geometria del braccio posteriore Geometria innovativa: retropiede: inclinazione di 3 per 55% lunghezza tratto rettilineo per 25 % della lunghezza raggiatura di 124 mm all estremità anteriore. Contributo propulsivo Presa tibiale ad 1/3 dell altezza totale: garantisce la stabilità della caviglia graduale accettazione del carico. Apertura laterale delle fasce di presa: contenimento a carico del materiale composito

15 4.b Scelta dei materiali, stratificazione, laminazione 15 Materiali Stratificazione 3 differenti zone Twill Unidirezionale Tessuti prepreg con resina epossidica Processo di fabbricazione tessuto unidirezionale in corrispondenza dell asse neutro strutturale angolazione graduale delle fibre per distribuzione omogenea dei carichi diversi spessori, differenti elasticità

16 5. Validazione funzionale delle scelte progettuali 16 PARAMETRO SPECIFICHE di PROGETTO SCELTE PROGETTUALI Cinematica Cammino fluido e traiettoria Geometria posteriore + 2 punti di presa ginocchio rasente al terreno Tempo [sec] Coordinata y [m] Cammino fluido e traiettoria ginocchio rasente al terreno Coordinata x [m]

17 5. Validazione funzionale delle scelte progettuali 16 PARAMETRO SPECIFICHE di PROGETTO SCELTE PROGETTUALI Fy plateau Capacità ammortizzante 2 punti di presa: prossimale e 2/3 distale buona elasticità in dorsi / plantarflessione buona capacità ammortizzante Forza verticale Fy [% peso corpore eo] maggiore rispetto tutore Otto Bock paragonabile alla normalità % ciclo del passo fase di stance

18 5. Validazione funzionale delle scelte progettuali 17 PARAMETRO SPECIFICHE di PROGETTO SCELTE PROGETTUALI Propulsione antero-posteriore Fx Elevata efficienza energetica E rilasciata / E assorbita Stratificazione del materiale composito e soletta a geometria innovativa Forza orizzontale Fx [% peso corporeo o] aumento energia immagazzinata maggiore assorbimento rispetto blu capacità propulsiva orizzontale propulsione fino all ultimo istante di stance % ciclo del passo fase di stance

19 5. Validazione funzionale delle scelte progettuali 18 PARAMETRO SPECIFICHE di PROGETTO SCELTE PROGETTUALI Fy - Fx 2 picco Migliorare bilanciamento tra componente verticale e orizzontale scelta della geometria scelta dei materiali compositi Forza verticale Fy [% peso corporeo] Forza orizzontale Fx [% peso corporeo] % ciclo del passo fase di stance % ciclo del passo fase di stance riduzione della componente propulsiva verticale buon bilanciamento tra le componenti propulsive

20 6. Validazione meccanica delle scelte progettuali 19 Afferraggio attuatore Vincolo: pattino (2 gdv) Vincolo: cerniera (2 gdv) Vincolo: cerniera (2 gdl) Vincolo: incastro (3 gdl) Obiettivo: sollecitare l ortesi in dorsiflessione e valutare carico di rottura Letteratura normalità: 20 di dorsiflessione 15 in plantarflessione Posizione di partenza: angolo tra braccio posteriore e soletta pari a 90. Controllo di spostamento Rottura avvenuta a 225N con uno spostamento pari ad 68 mm in corrispondenza di una quota a 150 mm dal tallone Curva Forza-deformazione 250 La struttura è composta da 3 aste vincolate mediante 2 cerniere, un pattino e un incastro. Forza applicata [N] Forza applicata (N) Deformazioni (mm) Spostamento [mm]

21 7. Conclusioni e sviluppi futuri 20 Risultati validazione funzionale riduzione della compensazione ginocchio maggiore capacità di ammortizzazione miglior bilanciamento tra componente propulsiva orizzontale e verticale Risultati validazione strutturale buona flessibilità carico di rottura adeguato Sviluppi futuri test di resistenza a meccanica a fatica diversificazione della gamma di prodotto: utilizzo di una metodologia di progettazione FEM per l ottimizzazione della stratificazione. possibile inserimento tra le pelli in fase di laminazione di tessuto poliestere con resina e catalizzatore particolari che conferiscano al pezzo maggiore flessibilità, elasticità ed efficienza propulsiva.