Nuovi metodi di diagnosi precoce dei fallimenti di protesi d'anca con accoppiamento articolare ceramica-ceramica

L’accoppiamento articolare in ceramica è sempre più utilizzato in chirurgia protesica dell’anca per le sue eccellenti proprietà tribologiche. Tuttavia la fragilità della ceramica è causa di fallimenti meccanici. Abbiamo quindi condotto una serie di studi al fine di individuare un metodo efficace di diagnosi precoce del fallimento della ceramica. Abbiamo analizzato delle componenti ceramiche espiantate e abbiamo trovato un pattern di usura pre-frattura che faceva supporre una dispersione di particelle di ceramica nello spazio articolare. Per la diagnosi precoce abbiamo validato una metodica basata sulla microanalisi del liquido sinoviale. Per validare la metodica abbiamo eseguito un agoaspirato in 12 protesi ben funzionanti (bianchi) e confrontato i risultati di 39 protesi con segni di rottura con quelli di 7 senza segni di rottura. Per individuare i pazienti a rischio rottura i dati demografici di 26 pazienti con ceramica rotta sono stati confrontati con 49 controlli comparabili in termini demografici, tipo di ceramica e tipo di protesi. Infine è stata condotta una revisione sistematica della letteratura sulla diagnosi della rottura della ceramica. Nell’aspirato la presenza di almeno 11 particelle ceramiche di dimensioni inferiori a 3 micron o di una maggiore di 3 micron per ogni campo di osservazione sono segno di rottura della ceramica. La metodica con agoaspirato ha 100% di sensibilità e 88 % di specificità nel predire rotture della ceramica. Nel gruppo delle ceramiche rotte è stato trovato un maggior numero di malposizionamenti della protesi rispetto ai controlli (p=0,001). Il rumore in protesi con ceramica dovrebbe sollevare il sospetto di fallimento ed indurre ad eseguire una TC e un agoaspirato. Dal confronto con la letteratura la nostra metodica risulta essere la più efficace.

Mechanical design and hybrid control strategies for overconstrained cable-driven parallel robots

Cable-driven parallel robots offer significant advantages in terms of workspace dimensions and payload capability. They are attractive for many industrial tasks to be performed on a large scale, such as handling and manufacturing, without a substantial increase in costs and mechanical complexity with respect to a small-scale application. However, since cables can only sustain tensile stresses, cable tensions must be kept within positive limits during the end-effector motion. This problem can be managed by overconstraining the end-effector and controlling cable tensions. Tension control is typically achieved by mounting a load sensor on all cables, and using specific control algorithms to avoid cable slackness or breakage while the end-effector is controlled in a desired position. These algorithms require multiple cascade control loops and they can be complex and computationally demanding. To simplify the control of overconstrained cable-driven parallel robots, this Thesis proposes suitable mechanical design and hybrid control strategies. It is shown how a convenient design of the cable guidance system allows kinematic modeling to be simplified, without introducing geometric approximations. This guidance system employs swiveling pulleys equipped with position and tension sensors and provides a parallelogram arrangement of cables. Furthermore, a hybrid force/position control in the robot joint space is adopted. According to this strategy, a particular set of cables is chosen to be tension-controlled, whereas the other cables are length-controlled. The force-controlled cables are selected based on the computation of a novel index called force-distribution sensitivity to cable-tension errors. This index aims to evaluate the maximum expected cable-tension error in the length-controlled cables if a unit tension error is committed in the force-controlled cables. In practice, the computation of the force-distribution sensitivity allows determining which cables are best to be force-controlled, to ensure the lowest error in the overall force distribution when a hybrid force/position joint-space strategy is used.