Progettazione e sviluppo di un ortesi AFO (Ankle Foot ... Tutori AFO.pdf · 2 1. Introduzione 2. Analisi delle performance funzionali ortesi in commercio 3. Definizione delle specifiche

LABORATORY OF BIOLOGICAL STRUCTURE MECHANICS

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Progettazione e sviluppo di un ortesi AFO Progettazione e sviluppo di un ortesi AFO (Ankle Foot Orthesis) innovativa in materiale (Ankle Foot Orthesis) innovativa in materiale compositocompositoMilano, 3 maggio 2010Milano, 3 maggio 2010

Tesi di laurea di: Matteo Zani matr. 711658

Relatore: Chiar.mo Prof. Tomaso Maria Tobia Villa

Co-relatore: Chiar.mo Ing. PhD Daniele Bonacini

2

1. Introduzione

2. Analisi delle performance funzionali ortesi in commercio

3. Definizione delle specifiche di progetto nuova ortesi AFO

Progettazione e sviluppo di un ortesi AFO innovativa in Progettazione e sviluppo di un ortesi AFO innovativa in materiale compositomateriale composito

Tomaso Villa– Clearwater Beach 2009


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

Intervallo di tempo tra due contatti iniziali

successivi dello stesso piede

Ciclo del passo

Riferimento temporale in cui vengono descritti gli

eventi biomeccanici e l’attività muscolare correlata.

0-2% 10-30% 87-100%


Attivazione muscolare

Quadricipite femoraleHamstrings

Tibiale anterioreGastrocnemio-soleo

0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100%

Y

XINITIALCONTACT

MID STANCE

TOE OFF

4

Patologie morfologiche

Piede piatto:� insufficienza muscoli

cavizzanti

Piede cavo:� ipertono dei muscoli

cavizzanti.

Piede equino:

Disturbi del sistema nervoso

Paralisi cerebrale infantile:� alterazioni della funzione cerebrale prima che il

soggetto abbia completato il suo sviluppo.

Paralisi: diplegia, emiplegia, tetraplegia

Deficit del nervo SPE:� ipostenia muscoli anteriori e

laterali della gamba

SPE

1. Introduzione: patologie che causano deficit funzionali dell’arto inferiore


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.VALGO VARO

laterali della gamba

� deficit nella dorsiflessione edeversione 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 esuperiori.

SPI

5

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:

1. Introduzione: le ortesi


FO - Foot Orthesis AFO Ankle Foot Orthesis KO Knee Orthesis

THKAFO - Trunk Hip Ankle Foot OrthesisKAFO - Knee Ankle Foot Orthesis HKAFO - Hip Knee Ankle Foot Orthesis

6

scelta della geometria

scelta del sistema di presa

scelta dei materiali

limitazione della plantarflessione (1)

mantenimento della naturale dorsiflessione (2)

contenimento medio laterale (3)

possibilità di contributo propulsivo

Specifiche funzionali dei tutori AFO

1. Introduzione: le ortesi AFO


Analisi del mercato

AFO RIGIDE AFO ARTICOLATE AFO DINAMICHE

Presa posteriore

Presa anteriore

Presa posteriore Presa anteriore

7

Strumentazione e modalità

2. Analisi della performance funzionali delle ortesi in commercio: gait analysis con tutore

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

Fx ed Fy(% sul peso corporeo)

Posizione relativa tra i due segmenti corporei riferimento alla linea di terra


Initial contact

Mid stance

Toe off

da letteratura

calcolati

9

Cinematica: traiettorie marker condilo femorale ginocchio

Tempo [sec]

Co

ord

inata

y [m

]

0,7 1,40

Piedi nudi:sollevamento marcatodel ginocchio percompensazione deldeficit dorsiflessorio

Gait con tutore:

(senza tutore)

2. Analisi della performance funzionali delle ortesi in commercio: gait analysis – analisi dati

(*)


Gait con tutore

Riduzione delle coordinata verticale del ginocchio

Capacità del tutore di sostenere l’avampiede in fase di volo

Y

Xavanzamento

Co

ord

inata

y [m

]

�ginocchio più radente al terreno

� andamento paragonabile all’arto sano

Coordinata x [m]

(*) Tutore Afo Light Ossur considerato rappresentativo per migliore prestazione

10

Dinamica gait con tutore: forza verticale Fy

IC MS tutore

MS sano

TO sano

TO tutore

IC MS tutore

MS sano

TO sano

TO tutore

Fo

rza

[%

pe

so

co

rpo

reo

]

Arto con TUTORE (*)

Arto sano

Normalità


ICMS tutore

MS sano MS tutore

MS sano


% fase di stance

Fo

rza

[%

pe

so

co

rpo

reo

]

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

Propulsione in senso verticale:

� Valore di forza corrispondente al 2°

picco

(*) Tutore Walk on Otto Bock considerato rappresentativo per maggiori limiti

Dinamica gait con tutore: forza orizzontale Fx

11

IC MS tutore

MS sano

TO sano

TO tutore

IC MS tutore

MS sano

TO sano

TO tutore

Fo

rza

[%

pe

so

co

rpo

reo

]

2

Arto con TUTORE Otto Bock

Arto con TUTORE Ossur

Normalità

ICMS tutore

MS sano MS tutore

MS sano



Fo

rza

[%

pe

so

co

rpo

reo

]

% fase di stance

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)

1 Propulsione in senso orizzontale:

� Valore di forza corrispondente al 2°

picco

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Attività muscolare: tracciato EMG

GASTROCNEMIO-SOLEO� fisiologico

TIBIALE ANTERIORE � deficit

Gastrocnemio-soleo Tibiale anteriore

Tibiale anteriore Gastrocnemio-soleoNormalità segnale

acquisito



Come presumibile a prioriil tutore non modificain nessun modol’attività muscolare delsoggetto

Gastrocnemio-soleo Tibiale anterioreTibiale anteriore Gastrocnemio-soleo

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PARAMETRO SPECIFICHE di PROGETTO SCELTE PROGETTUALI

Cinematica Cammino fluido e traiettoriaginocchio rasente al terreno

Geometria posteriore + 2 punti di presa

Fyplateau

Capacità ammortizzante

� 2 punti di presa: prossimale e 2/3 distale

� buona elasticità in dorsi / plantarflessione

Propulsione antero-posteriore

Elevata efficienza energetica

Stratificazione del materiale composito eE rilasciata / E assorbita



Fx

Stratificazione del materiale composito esoletta a geometria innovativa

Fy - Fx

2°picco

Migliorare bilanciamento tra componente verticale e

orizzontale

� scelta della geometria

� scelta dei materiali compositi

Contatto con la cute

Compatibilità biologica Materiali atossici e anallergici

� Etivinilacetato e Plastazote

Affidabilità Affidabilità strutturale e funzionale

Scelta della geometria e dei materiali

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Geometria innovativa:

retropiede: inclinazione di 3° per 55% lunghezza

tratto rettilineo per 25 % della lunghezza

raggiatura di 124 mm all’estremità anteriore.

Disegno CAD

Geometria del braccio posteriore

Geometria della soletta

4.a Scelta delle geometrie


Geometria del braccio posteriore

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 materialecomposito

Contributo propulsivo

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Twill

Materiali

Tessuti prepreg con resina epossidica

Stratificazione

3 differenti zone

tessuto unidirezionale incorrispondenza dell’asse neutro � strutturale

angolazione graduale delle fibre per distribuzione omogenea dei carichi

4.b Scelta dei materiali, stratificazione, laminazione

Unidirezionale


Processo di fabbricazionediversi spessori, differenti elasticità

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Cinematica Cammino fluido e traiettoria ginocchio rasente al terreno



Cinematica Cammino fluido e traiettoria ginocchio rasente al terreno


Cammino fluido e traiettoria

Tempo [sec]Tempo [sec]


Coordinata x [m]Coordinata x [m]

Co

ord

inata

y [m

]C

oo

rdin

ata

y [m

]

traiettoria ginocchio rasente al

terreno

16

PARAMETRO SPECIFICHE di PROGETTO SCELTE PROGETTUALIPARAMETRO SPECIFICHE di PROGETTO SCELTE PROGETTUALI

Fyplateau

Capacità ammortizzante � 2 punti di presa: prossimale e 2/3 distale


Fyplateau

Capacità ammortizzante � 2 punti di presa: prossimale e 2/3 distale



Fo

rza

ve

rtic

ale

Fy

[% p

eso

co

rpo

reo

]F

orz

a v

ert

ica

le F

y

[% p

eso

co

rpo

reo

]

buona capacità ammortizzante

� maggiore rispetto tutore


Fo

rza

ve

rtic

ale

Fy

[% p

eso

co

rpo

reo

]F

orz

a v

ert

ica

le F

y

[% p

eso

co

rpo

reo

]

% ciclo del passo % ciclo del passo –– fase di stancefase di stance

� maggiore rispetto tutore Otto Bock

� paragonabile alla normalità

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Fx


Stratificazione del materiale composito e soletta a geometria innovativa


Fx


Stratificazione del materiale composito e soletta a geometria innovativa


E rilasciata / E assorbita


aumento energia immagazzinata� maggiore assorbimento rispetto blu

Fo

rza

orizzo

nta

le F

x

[% p

eso

co

rpo

reo

]F

orz

a o

rizzo

nta

le F

x

[% p

eso

co

rpo

reo

]


� maggiore assorbimento rispetto blu

capacità propulsiva orizzontale � propulsione fino all’ultimo

istante di stance

Fo

rza

orizzo

nta

le F

x

[% p

eso

co

rpo

reo

]F

orz

a o

rizzo

nta

le F

x

[% p

eso

co

rpo

reo

]


18


Fy - Fx

2°picco


orizzontale



Fy - Fx

2°picco


orizzontale




Forz

a v

ert

icale

Fy

[% p

eso c

orp

ore

o]

Forz

a v

ert

icale

Fy

[% p

eso c

orp

ore

o]

Forz

a o

rizzonta

le F

x [

% p

eso c

orp

ore

o]

Forz

a o

rizzonta

le F

x [

% p

eso c

orp

ore

o]


riduzione della componente propulsiva verticale

buon bilanciamento tra le componenti propulsive

Forz

a v

ert

icale

Fy

[% p

eso c

orp

ore

o]

Forz

a v

ert

icale

Fy

[% p

eso c

orp

ore

o]


Forz

a o

rizzonta

le F

x [

% p

eso c

orp

ore

o]

Forz

a o

rizzonta

le F

x [

% p

eso c

orp

ore

o]


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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

6. Validazione meccanica delle scelte progettuali


incastro (3 gdl)

La struttura è composta da 3 aste vincolate mediante 2 cerniere, un pattino e un incastro.

Curva Forza-deformazione

0

25

50

75

100

125

150

175

200

225

250

0 2 4 6 8 101214161820222426283032343638404244464850525456586062646668707274

Deformazioni (mm)

Fo

rza

ap

plic

ata

(N

)

Spostamento [mm]

Forz

a a

pplic

ata

[N

]

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Risultati validazione funzionale

riduzione della compensazione ginocchio

Risultati validazione strutturale

7. Conclusioni e sviluppi futuri


riduzione della compensazione ginocchio

maggiore capacità di ammortizzazione

miglior bilanciamento tra componente propulsiva orizzontale e verticale

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.

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Progettazione e sviluppo di un ortesi AFO (Ankle Foot ... Tutori AFO.pdf · 2 1. Introduzione 2. Analisi delle performance funzionali ortesi in commercio 3. Definizione delle specifiche