Knowledge-based design of lower limb prosthesis

Durante gli ultimi anni lo sviluppo di molti prodotti è migliorato grazie all’introduzione di strumenti assistiti dal calcolatore riducendo tempi e costi di tutto il processo di sviluppo, e permettendo di valutare in modo più rapido ed economico diverse varianti dello stesso prodotto. Inoltre, una grande attenzione è stata posta sui prodotti personalizzati caratterizzati da una stretta relazione con il corpo umano o parte di esso. Innovativi strumenti assistiti dal calcolatore possono contribuire alla realizzazione di prodotti personalizzati con forte legame con il corpo umano e sicuramente migliorare la qualità della vita delle persone, in particolare di persone disabili. Il lavoro presentato in questa tesi fa riferimento a questo contesto ed ad uno specifico prodotto personalizzato: la protesi d’arto inferiore. L’obiettivo principale è stato realizzare un innovativo sistema basato sulla conoscenza, centrato sui modelli virtuali del corpo del paziente, che potesse guidare e supportare l’utente durante tutti i passaggi per la progettazione di una protesi. Le attività di ricerca sono state organizzate in quattro fasi principali come segue. Per prima cosa è stato analizzato lo Stato dell’Arte dell’ultima generazione di questa tipologia di protesi, quelle modulari, e degli strumenti ICT per la progettazione dell’invaso disponibili sul mercato. Una protesi modulare è principalemte composta da componenti commerciali, eccezion fatta per l’invaso che è altamente personalizzato e realizzato sull base dell’arto residuo del paziente. Questo componente è l’interfaccia tra il moncone e la parte meccanica della protesi e richiede un alto livello di personalizzazione così da soddisfare requisiti funzionali e di comfort. Per quanto riguarda gli strumenti ICT conosciuti abbiamo verificato che possono supportare alcune fasi del processo di sviluppo prodotto, ma non offrono alcun tipo di assistenza al tecnico. Tutte le decisioni e le azioni intraprese durante la progettazione sono scelte sulla base della loro esperienza e delle loro personali capacità. Quindi, sarebbe strategico integrare la conoscenza di dominio specifica in questo tipo di sistemi, così da ottenere un prodotto finale valido e di altà qualità, e sviluppare per questa ragione un ambiente di progettazione che assiste il tecnico durante tutto i processo. La seconda fase ha riguardato l’acquisizione della conoscenza relatica al prodotto ed al processo tradizionale di fabbricazione di protesi modulari d’arto inferiore, studiando la letteratura e le pubblicazioni scientifiche del settore e, soprattutto, intervistando il personale altamente qualificato di un laboratorio ortopedico. Questa attività è stata svolta presso l’ortopedia, partecipando e seguendo personalmente tutte le fasi del processo di realizzazione delle protesi. Tutte le informazioni sono state formalizzate utilizzando diagrammi IDEF0, derivandone tutte le regole e le procedure implicite. Si è realizzato che tutta la conoscenza di prodotto e processo è strettamente correlata con uno specifico gruppo di parametri, che guidano l’intero processo di progettazione: le caratteristiche del paziente. In particolare questi dati sono necessari per selezionare i componenti standard più idonei, per modellare un invaso funzionale in relazione all’anatomia del paziente, e per dimensionare correttamente l’assemblaggio finale della protesi. Da questa fase abbiamo ricavato: • I parametri del paziente che guidano l’intero processo; • Le procedure di selezione per scegliere i componenti standard più idonei; • Le regole per dimensionare correttamente la protesi; • Regole e procedure per creare il modello 3D dell’invaso. Nella terza fase, sulla base dell’analisi precedente, è stato reingegnerizzato il processo di progettazione della protesi e sviluppato un sistema basato sulla conoscenza, che guida passo per passo i tecnici fornendo conoscenza e regole specifiche (per esempio le regole di dimensionamento e di selezione dei componenti standard). Il framework proposto è totalmente centrato sul modello digitale dell’amputato e gestisce direttamente la conoscenza degli esperti così da garantire un prodotto di alta qualità. Ogni attività è supportata direttamente dalla gestione della conoscenza di dominio specifica attraverso degli assistenti virtuali. Che forniscono procedure e/o suggerimenti per compiere la miglior scelta e, quando possibile, eseguirle automaticamemte (per esempio, scegliere i componenti ed i materiali, o dimensionare le parti). Integra strumenti ad hoc per la gestione della conoscenza tecnica di dominio sia di prodotto che di processo, per la modellazione di componenti sia standard (ad esempio piloni e tubi, piedi, etc.) che personalizzati, e strumenti per la simulazione del comportamento (ad es. tecniche di analisi ad elementi finiti o multi-body) per investigare l’interazione componenti-corpo umano. In particolare il lavoro sviluppato in questa tesi ha riguardato la fase di modellazione. Il framework è stato implementato utilizzando un sistema KBE commerciale (Ruledesigner® Configurator). Un sistema commerciale CAD 3D (Solid Edge Siemens PLM Software) è stato adottato per realizzare una libreria di modelli 3D prametrici per rappresentare i componenti standard e per l’assemblaggio finale della protesi. Le regole e le procedure estrapolate per la progettazione dell’invaso sono state inserite all’interno di un modulo, chiamato Socket Modelling Assistant (Assistente di modellazione dell’invaso, abbreviato SMA), specificatamente sviluppato dal Gruppo di Ricerca VK (Università degli Studi di Bergamo) per la modellazione virtuale dell’invaso. Lo SMA fornisce un set di strumenti virtuali che permettono di emulare le attività tradizionali compiute dai tecnici. L’ultima fase ha riguardato la validazione e la sperimentazione del framework. Per prima cosa abbiamo verificato e rifinito le procedure di selezione dei componenti in collaborazione con l’ortopedia conivolta nel progetto. In funzione del framework, abbiamo predisposto la configurazione della protesi per 10 pazienti, cinque transfemorali e 5 transtibiali, e le abbiamo comparate con quelle proposte dai tecnici. I risultati sono stati valutati buoni per la maggior parte dei casi. È stata apprezzata la possibilità di generare rapidamente configurazioni alternative. In secondo luogo, le procedure e le regole per la modellazione dell’invaso sono state verificate creando il modello 3D dell’invaso per due pazienti, un transfemorale ed un transtibiale. Insieme ai tecnici, abbiamo principalemte verificato l’efficacia degli strumenti di modellazione della forma che simulano virtualmente le procedure tradizionali. I risultati preliminari sono stati considerati positivi dallo staff tecnico dell’ortopedia ma hanno evidenziato il bisogno di alcune modifiche per rendere gli strumenti menzionati di più facile utilizzo, in particola modo, da un non utilizzatore e non esperto di computer. In fine, per una migliore valutazione del modello dell’invaso, abbiamo bisogno di compararlo con i modelli reali realizzati a mano.