Come descritto nel paragrafo dedicato alla protesi dell‟associazione T.f.P., vi sono due versioni del disegno protesico (fig. 5.1).
Nella prima, il piede ha la chiglia in legno, molla di lancio e frizione sono collocate in un supporto aggiuntivo al ginocchio. Nella seconda, cronologicamente successiva e in piena fase di sviluppo, il piede è “a ritorno d‟energia” con una chiglia flessibile in materiale plastico, mentre molla di lancio e frizione sono inserite direttamente nella parte inferiore del ginocchio, che risulta così estendersi maggiormente sullo stinco artificiale rispetto alla prima versione. La seconda versione del disegno protesico è attualmente quella che esiste solo a livello di prototipo.
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Concentrandosi attualmente gli sforzi di Time for Peace proprio su questa seconda versione, ne deriva che l‟oggetto della modellazione agli elementi finiti sia il dispositivo di ginocchio previsto in essa.
Se, da una parte, la costruzione del modello si avvale delle dimensioni specificate dal disegno geometrico di progetto e non di quelle rilevate sul prototipo, dall‟altra le osservazioni su di esso sono state importanti per la comprensione del meccanismo e fondamentali per inserire nel ginocchio virtuale il dispositivo di blocco in estensione del giunto, non compreso nei disegni CAD di base.
La modellazione è stata scandita in tre fasi.
A partire dal disegno CAD planare dell‟associazione (fig. 5.2) si è costruita la geometria tridimensionale, sempre in CAD, delle porzioni superiore e inferiore del ginocchio.
Figura 5.1: (a) chiglia del piede in legno e (b) ginocchio della prima versione della protesi; (c) piede “a ritorno d’energia” e (d) ginocchio (con in evidenza il sito nella porzione inferiore dove sono inseriti molla e frizione) della seconda versione
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Nel disegno tridimensionale si è aggiunto il dispositivo di fermo, rappresentato dall‟emidisco laterale in alluminio: il mezzo disco di spessore 4 mm e diametro 25 mm (in verde chiaro in fig. 5.3 c-d) si innesta nel blocco superiore del ginocchio (in blu) ruotando attorno ad un perno (verde scuro in fig. 5.4 b) a metà di una ala sulla parte prossimale del blocco inferiore (in rosso in fig. 5.3 c-d) e con base a 20 mm dal bordo anteriore e 10.2 mm dal bordo superiore.
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Figura 5.4: (a) esploso assonometrico in CAD degli elementi del ginocchio modellati; (b) profilo della parte prossimale del ginocchio inferiore con in verde il perno su cui ruota l’emidisco di blocco
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Figura 5.3: fotografie (a) laterale e (b) frontale del disco di blocco nel prototipo ed immagini CAD (a) laterale e (b) frontale corrispondenti
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Il secondo passo è stato quello di importare la geometria tridimensionale nel programma di modellazione agli elementi finiti MSC.Patran; qui la geometria è stata affinata per permettere la costruzione della mesh di superficie, con elementi triangolari a 3 nodi e lunghezza d‟elemento (una dimensione che risulti signifcativa) di 1.4 mm nella zona del sistema di blocco, 2 mm nel resto della geometria. Un affinamento ulteriore sotto gli 1.4 mm viene apportato nelle zone di interesse, dove si concentrano le variazioni dello stato tensionale quando il sistema di blocco entra in azione; questo per tutte e tre le soluzioni che, successivamente, sono state simulate.
Definita la mesh superficiale, l‟ultimo passo è stato quello di implementare la mesh tridimensionale con elementi tetraedrici.
Figura 5.5: (a) geometria del ginocchio, (b) mesh superficiale e (c) solida. L'asse x è in direzione antero-posteriore. Si presenta il blocco laterale, come nelle immagini della configurazione di test; le altre soluzioni non apportano modifiche significative alla geometria complessiva.
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Sempre sul prototipo si è misurata la rigidezza della molla di lancio, che risulta nella parte centrale di deformazione pari a 2 N/mm; si è inserita nel modello agli elementi finiti con un estremo sulla parte superiore del ginocchio e l‟altro sulla porzione inferiore in modo da riflettere la sua azione di richiamo nel momento di una flessione relativa tra le due.
Si è così ottenuto il modello FE del ginocchio con il dispositivo di blocco laterale. Alcune considerazioni meccaniche su di esso, descritte nel paragrafo successivo, sono il punto di partenza per implementare due soluzioni alternative al sistema di fermo del prototipo, direttamente rielaborando la geometria in Patran.
Il funzionamento del meccanismo di blocco è lo stesso per tutte le soluzioni: mediante una rotazione il paziente disinnesta od innesta il dispositivo, rendendo solidali le due porzioni del ginocchio e bloccando il giunto in estensione.
Per la prima delle due soluzioni alternative l‟incavo nell‟ala viene duplicato su quella del lato opposto (fig. 5.7-5.8). I dispositivi di fermo mantengono lo spessore di 4 mm, ma ora sono due e si allontanano dal semplice mezzo disco: si può parlare di spine per le parti che si innestano per 7.5 mm nella porzione superiore del ginocchio. Il perno su cui ruotano è posto anteriormente rispetto a quello del disco laterale, ad una distanza di 6 mm.
Figura 5.6: in evidenza la molla di lancio nel ginocchio (rappresentazione in ABAQUS)
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La seconda alternativa porta un disco unico, che nel primo modello era laterale, semplicemente in posizione frontale (fig. 5.10). Per garantirgli un supporto, il blocco è ridisegnato modificando i volumi e la loro distribuzione nella direzione antero-posteriore. Prima di implementare il relativo modello agli elementi finiti, si è verificata la compatibilità cinematica nella rotazione relativa delle due porzioni del giunto.
Nonostante la patella di protezione davanti al ginocchio, visibile in figura 2.15, sembrasse rendere difficile utilizzare un meccanismo frontale da parte del soggetto, è parso opportuno testarlo comunque per diverse considerazioni che verranno illustrate successivamente.
Figura 5.7: a sinistra il doppio "disco-spina" innestato e la porzione inferiore del ginocchio, a destra il dispositivo laterale
Figura 5.8: a sinistra il doppio "disco-spina" innestato nel blocco superiore del ginocchio, a destra il dispositivo laterale
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Figura 5.9: la rotazione relativa a passi di 10°, di cui si mostrano quattro sequenze, verifica che le parti superiore e inferiore del ginocchio non entrino in conflitto; a destra si può vedere lo “spostamento” di materiale dalla porzione superiore a quella inferiore, ad unire le due ali
Figura 5.10: geometria in Patran del disco in posizione frontale, imperniato sulla porzione inferiore, e la modalità di interazione con il blocco superiore
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In conclusione, i modelli di ginocchio testati per un confronto tra i diversi dispositivi di blocco in estensione sono tre: il “disco laterale”, il doppio “disco-spina” e il “disco frontale”.
Nel proporre le due soluzioni alternative, si è semplicemente provato a sfruttare in maniera più efficace il meccanismo implementato sul prototipo, questo per non allontanarsi dai criteri alla base della protesi di progetto: l‟economicità e la semplicità. Esse non comportano infatti un sensibile aumento del materiale da utilizzare, e l‟amputato può ancora sbloccare e bloccare il ginocchio in modo “discreto”, senza complesse operazioni. Va comunque menzionato che il “disco-spina”, impiegando due fermi, raddoppia la quantità d‟alluminio presente e porta ad una complessità strutturale maggiore.