POLITECNICO DI MILANO Scuola di Dottorato di Ricerca

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1 POLITECNICO DI MILANO Scuola di Dottorato di Ricerca Dottorato di Ricerca in: Disegno e Metodi di Sviluppo Prodotto XX Ciclo PROGETTAZIONE E SVILUPPO DI UN PIEDE PROTESICO PER SOGGETTI AMPUTATI DI ARTO INFERIORE: LO SPRINTER S KING Coordinatore del corso: Chiar.mo Prof. Francesco TRABUCCO Relatore: Chiar.mo Prof. Umberto CUGINI Tesi di Dottorato di: Ing. Daniele BONACINI Matr. D02273 I

2 POLITECNICO DI MILANO Scuola di Dottorato di Ricerca Dottorato di Ricerca in: Disegno e Metodi di Sviluppo Prodotto XX Ciclo PROGETTAZIONE E SVILUPPO DI UN PIEDE PROTESICO PER SOGGETTI AMPUTATI DI ARTO INFERIORE: LO SPRINTER S KING Coordinatore del corso: Chiar.mo Prof. Francesco TRABUCCO Relatore: Chiar.mo Prof. Umberto CUGINI Tesi di Dottorato di: Ing. Daniele BONACINI Matr. D02273 I

3 Il comitato di valutazione della presente Tesi di Dottorato di Daniele Bonacini certifica che la presente è la versione finale approvata della dissertazione: The dissertation committee for Daniele Bonacini certifies that the current is the approved final version of the following dissertation: Progettazione e sviluppo di un piede protesico per soggetti amputati di arto inferiore: lo Sprinter s King Daniele Bonacini Politecnico di Milano Dipartimento di Meccanica Via G. La Masa, 1/ Milano Il comitato / the committee: Prof. Umberto Cugini, Tutor and Relator Prof. Francesco Trabucco, PhD Course Coordinator II

4 Abstract The activity that will be presented in this Thesis, consists in the design and the development of a new carbon fiber prosthetic foot addressed to below knee amputees and specific for track and field sports. The aim of this work is to make a new prosthetic foot with mechanical characteristic and a morphology which allow an easier biomechanic during sprinting: in this way a agonistic athlete can achieve better performance in competitions and a amateur can be introduced to sport activity with lower effort and energy cost. The first part of this Thesis includes the sprint kinematic analysis performed by seven athletes: four paralympic athletes, three below knee amputees and one above knee amputee compared with three normal athletes of different performance level. The comparison between normal athletes and amputees allow the understanding of functional limitations and different mechanical characteristic between sound and prosthetic limb. The equipments used to carry out the analysis includes Vicon Motion Capture Optoelectronic System, with 10 IR cameras, and a piezoelectric Kistler force platform. These allow to analyze the sprint kinematic and the ground reaction forces only with one acquisition. High performance results, nowadays, are given not just by talent but also by a scientific method of the training program: optoelectronic systems permit an performance evaluation and a training monitoring to reach better results. Athletic performance is influenced by many factors: age, anthropometric parameters, psychological data, environmental factors, coordination ability, organic and functional characteristics. Performance is the power product expressed by the athlete and the energetic cost. Regarding amputees there s another factor who influenced the performance: the prosthetic device. Structural components of the device and their alignment must guarantee the best performance. Kadaba protocol used in the acquisitions, must consider markers position on the prosthetic limb, the component s alignment and the differences between feet: this allow to define the key parameters of foot s performance. The second part of the Thesis is about the design of the new foot, basing on the results of the biomechanical analysis. This consists in the definition of morphology, elastic and structural characteristics, the different thickness and stiffness of foot s sections, the kineto-dymanics simulation of the foot, structural tests basing on ISO and tests on track to verify the aims of the design. The new prosthetic foot guarantee a longer stride, an higher peak velocity, a duration of the stance phase and an elastic response closer to the sound foot in order to remove asymmetries and guarantee higher balance. The new prosthetic foot has the following technical characteristics: Higher ankle plantarflexion; It act like gastrocnemium - soleus muscles and tendon of calcaneus; it doesn t have a negative component in forward direction (F x ), like all the feet on the market, and this cause a lower muscular effort at the hip joint for amputee athletes; it give an increase of 10% in the Ground Reaction Force, in the forward Force (F x ) and in the vertical Force (F z ) in comparison to commercial feet; during the contact phase with the ground, the moment of the inversion of the forward Force (F x ), from absorbing to propulsive, is set after Mid Stance, that is after femur is perpendicular to the ground, to capitalize foot s elastic response; the maximum peak of vertical Force (F z ) is during the Mid III

5 Stance phase; the vertical Force(F z ) and the forward Force (F x ) ratio, is modified towards F x, to support the forward action during the sprinting: the knee trajectory is closer to the ground; the stance phase time is closer to the normal one; the loading phase time of the prosthetic foot decreases and stops as soon as the rotation of the sound limb, in the swing phase, overtake prosthetic knee center of rotation; the response phase is shorter, because of stiffness/elasticity of prosthetic foot and different thickness of foot s section; During toe-off, the width forefoot guarantee a safe support and give the same sound limb stride. Using advanced technologies, like optoelectronic systems, during the research activity allow to better define project specifications, functional objectives and performances of the prosthetic limb, so that it is able to act like the sound one. This kind of design method is innovative for orthopedic industry because it isn t used by leader companies and because Italian market doesn t have a manufacturer of prosthetic components, but a thick web of craft orthopedic labs. IV

6 Sommario La Tesi presenta l attività di ricerca relativa alla progettazione e allo sviluppo di un piede in fibra di carbonio utilizzato nel caso di protesi ortopediche per soggetti amputati di arto inferiore e dedicate all atletica leggera. L obiettivo della progettazione e la realizzazione di un piede con una morfologia e caratteristiche meccaniche tali da consentire una più agevole biomeccanica della corsa: in questo modo l atleta esperto potrà ottenere prestazioni più performanti nelle competizioni agonistiche e l atleta principiante potrà affrontare l avviamento sportivo minimizzando l energia spesa nella corsa e quindi la fatica. La prima sezione della Tesi comprende l analisi cinetica dello sprint di un campione di sette atleti: quattro atleti paralimpici, tre amputati sotto il ginocchio e uno sopra il ginocchio e tre atleti normodotati di differente livello agonistico. Il confronto fra gli atleti normodotati e i soggetti amputati consente di evidenziare i limiti funzionali e le differenti caratteristiche meccaniche fra arto protesico e arto sano. La strumentazione utilizzata comprende il sistema optoelettronico VICON a 10 telecamere a infrarossi e una pedana piezoelettrica KISTLER ed ha consentito di ottenere la cinematica della corsa e le forze scaricate al terreno in un unica acquisizione. I risultati di alto livello in ogni sport, al giorno d oggi, sono il frutto, non solo del talento naturale, ma di una preparazione tecnico-atletica sempre più scientifica e metodica: i sistemi optoelettronici sono ausili che consentono di valutare la prestazione e di monitorare l allenamento al fine di ottimizzare la performance dell'atleta. La prestazione atletica viene influenzata e condizionata da fattori anagrafici, antropometrici, psicologici, ambientali, coordinativi e organico-funzionali. La prestazione è il prodotto tra la potenza che l'atleta è in grado di esprimere e il costo energetico della prestazione. Il miglioramento delle prestazioni può essere perciò ottenuto sia con un aumento della potenza, che con una riduzione del costo energetico. Nel caso di atleti amputati esiste un fattore aggiuntivo che influenza la prestazione: l ausilio protesico. La scelta dei componenti strutturali della protesi e il loro relativo allineamento devono consentire l ottimizzazione della performance dell atleta. Il protocollo Kadaba utilizzato deve tenere conto, nel posizionamento dei marker, della protesi dell atleta amputato, dell allineamento relativo tra i componenti e delle differenze tra i piedi, in modo da definire i parametri chiave caratteristici della performance del piede analizzato. La seconda sezione della Tesi comprende la progettazione vera e propria del piede in funzione delle specifiche ricavate dall analisi biomeccanica, che comprende la definizione della morfologia e delle caratteristiche elastiche e strutturali dei singoli tratti del piede con spessore e rigidezze differenti, le simulazioni cineto-dinamiche del piede, i test strutturali in riferimento alla ISO e il test in pista per verificare il rispetto degli obiettivi di progettazione prefissati. Il piede di nuova progettazione consente una maggiore lunghezza della falcata, una maggiore velocità di punta, una durata della fase di appoggio al terreno e della risposta elastica del piede protesico simile a quello sano in modo da eliminare le asimmetrie tra gli arti ed ottenere l equilibrio. V

7 Questi risultati sono stati ottenuti attraverso le seguenti caratteristiche tecnico-prestazionali: maggiore plantarflessione della caviglia; funzionalità muscolo-tendinea simile a gastrocnemio-soleo e tendine d achille; sezione trasversale di contatto a terra uguale a larghezza avampiede della taglia; non ha la componente negativa della forza in direzione di avanzamento (F x ), caratteristica dei piedi presenti in commercio, che implica un maggior lavoro muscolare dell articolazione dell anca da parte del soggetto protesizzato; aumento del 10% delle forze scaricate al terreno, della Forza orizzontale (F x ) e della Forza verticale (F z ) rispetto ai piedi noti; durante la fase di contatto del piede a terra, l istante in cui si ha l inversione della forza orizzontale (F x ), da assorbente a propulsiva, è collocato subito dopo l istante di Mid stance, in cui il femore è perpendicolare al terreno, in modo da consentire all utente di sfruttare al massimo la risposta elastica del piede; allo stesso modo è stato fissato il picco massimo della forza (F z ), durante la fase di contatto del piede a terra, in corrispondenza dell istante di Mid stance; il rapporto in modulo tra la forza verticale e la forza orizzontale, F z /F x viene modificato in favore di F x in modo da favorire l avanzamento durante la corsa, attraverso una traiettoria del ginocchio più radente al terreno; la durata della fase di appoggio a terra del piede protesico di nuova progettazione è simile al piede umano; la durata della fase di caricamento del piede protesico diminuisce e termina non appena il centro di rotazione del ginocchio dell arto contro laterale in volo supera il centro di rotazione del ginocchio dell arto con protesi; la durata della fase di risposta è più breve, grazie alla rigidezza/elasticità del piede protesico e dei vari tratti con spessore differente; durante il Toe off, il piede ha in corrispondenza dell avampiede uno spessore tale da garantire un appoggio sicuro che consente di completare la falcata con l arto sano in volo, in modo da avere falcate simili ed equilibrate tra gli arti. L utilizzo di tecnologie sofisticate, come i sistemi optoelettronici, per l attività di ricerca ha consentito di definire al meglio le specifiche di progettazione, i relativi obiettivi di funzionalità e performances del piede protesico per avvicinare il comportamento cinematico e meccanico dell arto sano. Questo approccio alla progettazione è assolutamente innovativo per il settore ortopedico in quanto non utilizzato dalle multinazionali leader del mercato mondiale e perché il mercato italiano non presenta alcun produttore di componenti protesici, ma solamente un fitto tessuto di officine ortopediche di tipo artigianale. VI

8 RINGRAZIAMENTI Un sincero ringraziamento va alle persone che hanno lavorato con grande passione e dedizione durante l attività svolta: al Prof Cugini, che mi ha dato la possibilità di frequentare il Dottorato in Disegno e Metodi di sviluppo prodotto e di fare ricerca sulle protesi ortopediche con mezzi altamente tecnologici, all Ing Sacchetti del Centro Protesi INAIL che ha finanziato la mia ricerca con una borsa di studio di un anno, all Ing Vorazzo, all Ing.Dal Bon e all Ing.Farina di AURION, all Ing. Giulio, all Ing Marzo e all Ing Gorlero di KISTLER, all Ing Dalla Vedova, al Dott. De Angelis della sezione di analisi biomeccanica diretta dal Dott. Faina e dal Dott Dal Monte dell Istituto di Scienza dello sport del CONI, al Sig.Kuris, Resp settore salti del CIP e agli atleti, Heros Marai, Stefano Lippi, Christoph Bausch, sempre disponibili e pazienti, al Dott.Zanetti, della Facoltà di Scienze Motorie di Pavia che si è recentemente laureato con una tesi sull argomento, al Dott. Bertetti per il supporto fornito, all Ing Grassini, all Ing Gariboldi e all Ing Toscano di SEAL e al prof Frassine che mi hanno supportato nella fase di testing sui materiali, al gruppo della prof Vergani che mi ha consentito di testare i piedi prodotti. Un altro sincero ringraziamento va al COMITATO PARALIMPICO ITALIANO presieduto dal Dott.Luca Pancalli, che ha sostenuto economicamente il ritiro di Formia della seconda sessione di acquisizione. VII

9 INDICE I a Sezione: analisi cinetica della corsa di atleti amputati transtibiali e transfemorali e confronto con atleti normodotati pag 1 Capitolo 1 I disabili e lo Sport pag Definizione di disabilità 1.2 I Dati sui disabili 1.3 Il ruolo dello Sport per i disabili 1.4 Cenni storici 1.5 Classificazioni IPC Capitolo 2 Strumenti e tecniche di analisi del movimento. pag Introduzione sull Analisi Movimento 2.2 Tecniche di analisi del movimento e strumentazione 2.3 Sistemi optoelettronici 2.4 Misurazione dei parametri antropometrici e posizionamento dei marker 2.5 Le caratteristiche del Vicon 2.6 Piattaforme di forza Kistler 2.7 Elettromiografi 2.8 Laboratorio di Gait Analysis Capitolo 3 Gait Analysis: analisi del cammino. pag Introduzione 3.2 Fasi del Gait cycle Initial contact - Contatto iniziale Loading Response - Risposta al carico Mid stance - Appoggio intermedio Terminal stance - Appoggio terminale Pre swing Pre volo Initial swing Inizio fase di volo Mid swing - Fase intermedia di volo Terminal swing - Fase terminale di volo 3.3 Report of Gait Analysis Capitolo 4 La protesizzazione dell amputato transtibiale e transfemorale e la struttura delle protesi (da cammino e da corsa) pag Introduzione 4.2 Le cause di amputazione 4.3 I livelli di amputazione di arto inferiore e condizioni di protesizzazione dell arto 4.4 La struttura della protesi da camminare per amputazioni transtibiali 4.5 La struttura della protesi da camminare per amputazioni transfemorali 4.6 Componenti di collegamento delle protesi e piedi da camminare 4.7 Gait analysis amputati transtibiali 4.8 Piedi da correre Allineamento invaso-piede protesi da correre transtibiali Allineamento invaso-piede protesi da correre transfemorali VIII

10 Capitolo 5 Biomeccanica della corsa di atleti normodotati.. pag Lo sprint e le differenze fra cammino e corsa 5.2 Il ciclo dello sprint Stance absorbtion Stance generation Swing generation Swing absorbtion Capitolo 6 Biomeccanica degli atleti trans tibiali e trans femorali.... pag Le performance 6.2 Ciclo di corsa dell atleta amputato Stance absorption Stance generation Swing generation Swing absorbtion Capitolo 7 Acquisizione della corsa di atleti amputati transtibiali... pag L area di acquisizione 7.2 Misurazione dei parametri antropometrici 7.3 Markerizzazione 7.4 Correzione errori lenti 7.5 Calibrazione statica e dinamica del sistema 7.6 Convenzioni degli angoli delle articolazioni 7.7 Motion Capture 7.8 Elaborazione dati 7.9 Labelizzazione dei marker, tracking e riconoscimento dei marker 7.10 I parametri spazio temporali 7.11 Analisi dati di cinematica Grafici cinematica normodotati Grafici cinematica amputati transtibiali Confronto cinematica arto protesico amputati transtibiali Discussione risultati cinematica amputati transtibiali Grafici cinematica amputato transfemorale Discussione risultati cinematica amputato transfemorale 7.12 Analisi dati cinetici amputati transtibiali 7.13 Analisi dati cinetici amputato transfemorale IX

11 IIa Sezione: Specifiche di progettazione, disegnazione e testing del nuovo piede...pag 101 Capitolo 8 Specifiche di progettazione del piede : Sprinter s King.pag Limiti biomeccanici e meccanici nell utilizzo della protesi Limiti cinematici Limiti dinamici Limiti funzionali dei piedi presenti in commercio 8.2 Obiettivi della progettazione 8.3 Modello biomeccanico 8.4 Descrizione della morfologia del piede 8.5 Parametrizzazione del piede secondo le diverse classi 8.6 L assemblaggio del piede 8.7 Comparativo morfologico rispetto agli altri piedi presenti in commercio 8.8 Lo spessore del piede Capitolo 9 Norma ISO 10328: Structural testing lower limb prostheses. pag Introduzione alla norma 9.2 Parte 1: Configurazione dei test 9.3 Parte 2: Campioni per i test 9.4 Parte 3: Principali test strutturali 9.5 Parte 4: carichi da applicare Test di prova statico, Static proof test Test di rottura statica, Static failure test Test di fatica, Cyclic test 9.6 Parte 5: Test supplementari Test di Torsione Test sui dispositivi caviglia-piede 9.7 Parte 6 : Carichi da applicare nei test supplementari 9.8 Parte 7 Submission Document del test 9.9 Parte 8: Test report 9.10 Aggiornamento della norma Capitolo 10 Caratterizzazione meccanica dei materiali... pag Introduzione sui materiali compositi I vantaggi, gli svantaggi e la diffusione dei materiali compositi 10.2 Comportamento meccanico dei materiali compositi 10.3 Caratteristiche meccaniche del materiale utilizzato 10.4 Prova di trazione secondo la ASTM D Prova di trazione provini prepreg UD HS 180 ET Prova di trazione provini tessuti twill C206 ET Prova di flessione secondo la norma ASTM D Prova di flessione UD HS 180 ET Prova di taglio secondo ASTM D Prova di taglio secondo prepreg UD HS 180 ET Riepilogo caratteristiche meccaniche dei materiali utilizzati X

12 Capitolo 11 Analisi FEM: verifica statica a rottura e verifica a fatica. pag Flow chart delle analisi strutturali 11.2 Caratteristiche strutturali e prestazionali dei piedi presenti in commercio 11.3 Obiettivi prestazionali del piede Sprinter s King 11.4 Definizione della stratificazione del piede 11.5 Prestazioni del piede Sprinter s King 11.6 Analisi a fatica Capitolo 12 Realizzazione prototipi, Test secondo la ISO e Prova in pista pag Tecnologie di fabbricazione 12.2 Realizzazione del modello e dello stampo 12.3 Realizzazione prototipi 12.4 Testing sulle macchine dei piedi secondo la ISO Testing sulle persone dei piedi Conclusioni..pag 217 APPENDICE A Report ISO pag 219 Bibliografia..pag 241 XI