Procedura di progettazione di protesi a basso costo per l'arto inferiore

L'attività di ricerca descritta in questa tesi fornisce linee guida per la progettazione di arti protesici inferiori, con particolare riferimento alla progettazione di protesi a basso costo. La necessità di efficienti protesi a basso costo risulta infatti sentita nei Paesi in via di sviluppo ma anche dalle fasce meno abbienti dei paesi occidentali. Al fine di comprendere le strategie adottate dall'apparato locomotorio per muoversi con le protesi sono analizzati il cammino fisiologico, le protesi presenti sul mercato ed infine le modalità con cui le loro prestazioni sono valutate. Con il presente lavoro, dopo aver osservato la presenza di una scarsa strutturazione della metodologia di progettazione che riguarda specialmente il settore del basso costo, si propone una metodologia il più possibile oggettiva e ripetibile tesa ad individuare quali sono gli aspetti essenziali di una protesi per garantire al paziente una buona qualità di vita. Solo questi aspetti dovranno essere selezionati al fine di ottenere la massima semplificazione della protesi e ridurre il più possibile i costi. Per la simulazione delle attività di locomozione, in particolare del cammino, è stato elaborato un apposito modello spaziale del cammino. Il modello proposto ha 7 membri rigidi (corrispondenti a piedi, tibie, femori e bacino) e 24 gradi di libertà. Le articolazioni e l'appoggio dei piedi al suolo sono modellati con giunti sferici. La pianta del piede consente tre possibili punti di appoggio. I criteri di realizzazione delle simulazioni possono comprendere aspetti energetici, cinematici e dinamici considerati come obiettivo dall'apparato locomotorio. In questa tesi vengono trattati in particolare gli aspetti cinematici ed è mostrata un'applicazione della procedura nella quale vengono dapprima identificati i riferimenti fisiologici del cammino e quindi simulato il cammino in presenza di una menomazione al ginocchio (eliminazione della flessione in fase di appoggio). Viene quindi lasciato a sviluppi futuri il completamento della procedura e la sua implementazione in un codice di calcolo.

Assessment of gait spatio-temporal parameters in neurological disorders using wearable inertial sensors

Movement analysis carried out in laboratory settings is a powerful, but costly solution since it requires dedicated instrumentation, space and personnel. Recently, new technologies such as the magnetic and inertial measurement units (MIMU) are becoming widely accepted as tools for the assessment of human motion in clinical and research settings. They are relatively easy-to-use and potentially suitable for estimating gait kinematic features, including spatio-temporal parameters. The objective of this thesis regards the development and testing in clinical contexts of robust MIMUs based methods for assessing gait spatio-temporal parameters applicable across a number of different pathological gait patterns. First, considering the need of a solution the least obtrusive as possible, the validity of the single unit based approach was explored. A comparative evaluation of the performance of various methods reported in the literature for estimating gait temporal parameters using a single unit attached to the trunk first in normal gait and then in different pathological gait conditions was performed. Then, the second part of the research headed towards the development of new methods for estimating gait spatio-temporal parameters using shank worn MIMUs on different pathological subjects groups. In addition to the conventional gait parameters, new methods for estimating the changes of the direction of progression were explored. Finally, a new hardware solution and relevant methodology for estimating inter-feet distance during walking was proposed. Results of the technical validation of the proposed methods at different walking speeds and along different paths against a gold standard were reported and showed that the use of two MIMUs attached to the lower limbs associated with a robust method guarantee a much higher accuracy in determining gait spatio-temporal parameters. In conclusion, the proposed methods could be reliably applied to various abnormal gaits obtaining in some cases a comparable level of accuracy with respect to normal gait.