DEVELOPMENT OF A VIRTUAL TESTING LABORATORY FOR LOWER LIMB PROSTHESIS

L’introduzione di strumenti informatizzati nel processo di sviluppo del prodotto permette di migliorarne la qualità, nonché di valutare diverse varianti del prodotto stesso in modo più veloce, riducendo in tal modo il tempo ed i costi relativi alla progettazione. Per queste motivazioni, tali strumenti possono giocare un ruolo rilevante anche nella realizzazione di prodotti personalizzati (specialmente quelli caratterizzati da una stretta interazione con il corpo umano), aumentandone il comfort e migliorando la qualità di vita delle persone. Il presente lavoro di tesi si concentra nello specifico sull’applicazione di tali strumenti informatizzati nella creazione di protesi per arti inferiori, inserendosi in un progetto di ricerca che ha come obiettivo quello di sviluppare una nuova piattaforma di progettazione centrata sul modello digitale del paziente e sulle sue caratteristiche. La piattaforma, chiamata Prosthesis Virtual Laboratory (PVL), è stata sviluppata dal gruppo di ricerca V&K dell’Università degli Studi di Bergamo nell’ottica di integrare gli strumenti informatici con la conoscenza del prodotto e del processo. La piattaforma è strutturata in modo da offrire due ambienti di lavoro: uno dedicato alla progettazione della protesi (chiamato Prosthesis Modelling Lab), sia transfemorale che transtibiale, e l’altro destinato alla fase di verifica della stessa (chiamato Virtual Testing Lab). L’obiettivo principale del lavoro di tesi è stato quello di integrare, all’interno dell’ambiente virtuale di verifica, gli strumenti di simulazione numerica che consentono di analizzare l’interazione tra l’invaso e l’arto residuo sotto diverse condizioni di carico, permettendo al tecnico protesico di effettuare la simulazione in automatico e di ottimizzare la forma dell’invaso. Gli strumenti di simulazione, come l’analisi agli elementi finiti (FEA), permettono di predire la pressione all’interfaccia tra invaso e moncone, di valutare il comfort dell’invaso e di validare la progettazione dello stesso prima della fase di manifattura. Tuttavia, la diffusione degli strumenti di simulazione nei laboratori ortopedici è fortemente limitata dall’elevato livello di competenze richieste per ottenere risultati significativi. Inoltre, l’implementazione di un modello di simulazione numerica richiede tempo e costose risorse, sia umane che tecnologiche, particolarmente onerose per i piccoli laboratori ortopedici. Affinché l’analisi numerica sia utilizzata nella progettazione delle protesi, è necessario che il processo di simulazione sia automatico ed integrato all’interno di una piattaforma virtuale di progettazione. In questo contesto, gli obiettivi scientifici specifici sono stati: • Analizzare criticamente lo stato dell'arte riguardante i metodi e gli strumenti per valutare l'interazione tra invaso ed arto residuo. • Identificare le questioni chiave per automatizzare le attività di simulazione. • Definire un insieme di regole di simulazione ed il modello per l’analisi ad elementi finiti. • Implementare ed integrare nella nuova piattaforma di progettazione la procedura di simulazione automatica. • Verificare la piattaforma di progettazione integrata con un caso studio. • Identificare le tendenze di sviluppo futuro. Le attività di ricerca sono state organizzate in quattro attività principali, come di seguito presentato nello specifico. La prima attività è consistita in un'analisi approfondita dello stato dell’arte negli ultimi due decenni relativamente ai modelli numerici adottati per studiare l’interazione tra invaso ed arto residuo. Partendo dalla letteratura, sono stati individuati i temi chiave del processo di simulazione (ad esempio la ricostruzione dei modelli geometrici, la caratterizzazione dei materiali, le fasi di simulazione e le condizioni al contorno), nonché le metodologie e le procedure di simulazione. Particolare attenzione è stata posta anche ai parametri comunemente adottati per valutare il comfort dell’invaso. Questa fase ha giocato un ruolo fondamentale in quanto costituisce la base per l’implementazione della procedura di simulazione integrata. Ha permesso altresì di evidenziare come gli attuali modelli agli elementi finiti siano indipendenti e non integrati con i sistemi CAD per protesi o di Digital Human Modelling (DHM). La seconda attività ha avuto come focus la selezione degli strumenti e dei metodi necessari allo sviluppo del modulo di simulazione, per mezzo dei quali è stato possibile identificare le regole di simulazione e le procedure di buona prassi, fondamentali per l’implementazione di un modulo di simulazione automatica. Inizialmente, gli strumenti di modellazione sono stati presi in considerazione in quanto forniscono i modelli geometrici sia per l’analisi numerica dell’interazione tra invaso ed arto residuo che per l’analisi della camminata virtuale dell’avatar del paziente. In seguito, particolare attenzione è stata posta sulla scelta del solutore a elementi finiti, che è stata fatta in accordo con i risultati ottenuti dai modelli preliminari implementati utilizzando due diversi solutori: Abaqus (commerciale) e CalculiX (open-souce). Quest’ultimo è stato impiegato per verificare la possibilità di sviluppare una piattaforma di progettazione totalmente indipendente dagli strumenti commerciali. Tuttavia, in base ai risultati ottenuti, la scelta si è indirizzata verso Abaqus, in quanto permette di gestire in modo adeguato i problemi di simulazione caratterizzati da grandi deformazioni e da difficili condizioni di contatto. L’utilizzo di questo solutore consente di ottenere risultati paragonabili a quelli presenti in letteratura ed inoltre il suo codice di script non richiede specifiche personalizzazioni. L’ultimo strumento utilizzato è stato il sistema DHM (Digital Human Modelling ) che permette di aumentare la precisione dell’analisi numerica. Attraverso l’analisi della camminata virtuale dell’avatar del paziente, questo strumento è in grado di fornire le direzioni e le intensità delle forze e delle coppie che agiscono sull’invaso. La terza attività ha riguardato la definizione dell’architettura del modulo di simulazione, l’implementazione del modulo stesso e del suo interfacciamento prima con lo strumento CAD per l’invaso (chiamato Socket Modelling Assistant - SMA), allo scopo di ottenere i modelli geometrici delle parti coinvolte (invaso ed arto residuo), ed in seguito con il sistema DHM, per acquisire le forze che agiscono sull’invaso durante la deambulazione del paziente. Il modulo di simulazione è stato implementato utilizzando il linguaggio Python e l’ambiente integrato prevede diverse fasi di sviluppo, come di seguito approfondito. Una volta che il tecnico protesico ha creato il modello 3D dell’invaso, lo SMA acquisisce gli input per l’analisi (come la lunghezza dell’arto residuo, il peso del paziente, il coefficiente di attrito, le proprietà dei materiali) e rilascia i file richiesti per generare il modello agli elementi finiti. Abaqus genera automaticamente il modello di simulazione senza che vi sia alcun intervento umano, risolve l’analisi e genera il file di output contenente i valori di pressione. I risultati sono importati nello SMA e visualizzati con una mappa di colore. La modifica della geometria dell’invaso, necessaria nelle aree in cui la pressione eccede i valori massimi, è eseguita in automatico dal sistema o dal tecnico protesico tramite gli strumenti virtuali presenti nello SMA. Il sistema, quindi, riesegue la simulazione. Attraverso questo processo iterativo di rettifica, la forma dell’invaso è modificata ed ottimizzata al fine di eliminare i sottosquadri, minimizzare il peso e soprattutto distribuire i carichi in modo appropriato, così che siano tollerabili per lunghi periodi di tempo. La quarta ed ultima attività ha riguardato la sperimentazione e la validazione del modulo di simulazione integrato all’interno della nuova piattaforma di progettazione considerando un paziente transfemorale. Il nuovo processo virtuale e le questioni chiave della procedura di simulazione sono state testate partendo dall’acquisizione dei dati del paziente fino al rilascio dell’invaso definitivo, utilizzando anche i dati provenenti dalla simulazione della camminata con il sistema DHM. Il modello geometrico dell’arto residuo è stato ricostruito partendo dalle immagini MRI e l’invaso è stato modellato utilizzando lo SMA. Attraverso un processo iterativo, la forma dell’invaso è stata ottimizzata fino ad avere una distribuzione appropriata della pressione sul moncone. L’attività preliminare riguardante la validazione del modello agli elementi finiti è stata eseguita comparando la distribuzione delle pressioni acquisite sperimentalmente sul moncone con i risultati della simulazione. Per realizzare questo compito, il modello geometrico dell’invaso reale è stato acquisito utilizzando tecniche di reverse engineering. Sono state implementate due diverse simulazioni numeriche che differiscono per il modello geometrico del moncone adottato: attraverso MRI nel primo caso, da scansione 3D nel secondo. I risultati preliminari possono considerarsi positivi ma ulteriori sviluppi sono necessari. Ad esempio, alcune incongruenze geometriche che si sono verificate durante l’acquisizione del modello geometrico hanno ridotto la precisione dei risultati finali. Per completare la valutazione del modello di simulazione è quindi necessario utilizzare un nuovo modello geometrico del moncone e sarebbe anche auspicabile raffinare il modello di caratterizzazione del materiale. Concludendo, il modulo di simulazione integrato all’interno del Virtual Testing Laboratory – VTL ha permesso di migliorare il processo di sviluppo della protesi con l’obiettivo di valutare e validare la forma dell’invaso sotto diverse condizioni di carico (statiche o dinamiche), prima della fase di manifattura. La fase di test del nuovo processo ha inoltre dimostrato la fattibilità del nuovo approccio virtuale per la progettazione delle protesi per arti inferiori. I test effettuati hanno indicato quali miglioramenti siano necessari ed i possibili sviluppi futuri, tra cui: la definizione di un protocollo di acquisizione dell’arto residuo attraverso MRI o scansione 3D, il calcolo parallelo per migliorare le prestazioni della simulazione, l’utilizzo di solutori open-source per implementare una piattaforma di progettazione totalmente indipendente dai sistemi commerciali, la realizzazione di una massiccia campagna sperimentale che coinvolga pazienti transtibiali e transfemorali al fine di convalidare pienamente il modello FE e la piattaforma di progettazione.