Caratterizzazione biomeccanica sperimentale di un dispositivo protesico osteointegrato per amputati transfemorali

Le protesi con invasatura per amputati transfemorali sono considerate il gold standard di riferimento. Esse possono indurre numerose problematiche. Per far fronte a ciò sono state sviluppate delle protesi chiamate protesi osteointegrate. Non essendo ancora presenti standard specifici per i test meccanici riguardanti queste protesi, l’obiettivo generale dello studio è stato quello di definire un metodo di prova ripetibile per determinare le proprietà di resistenza di uno stelo protesico osteointegrato e l’interazione dello stelo protesico con l’osso. In particolare, è stata valutata la fattibilità dell’esperimento e la qualificazione dei metodi sperimentali per lo studio della stabilità meccanica e dell’integrità di una protesi per amputati transfemorali. Inoltre, è stata valutata la fattibilità dell’esperimento e la qualificazione dei metodi sperimentali per lo studio delle deformazioni sulla superficie dell’osso con impiantata la protesi. Per il raggiungimento di tale obiettivo sono stati condotti degli studi sulle normative ISO e sui carichi a cui è sottoposto il femore durante lo svolgimento di azioni di vita quotidiana. In seguito, è stato progettato un primo prototipo concettuale di stelo protesico personalizzato da utilizzare per mettere a punto le prove utilizzando un femore composito. Sono state svolte delle prove meccaniche di presso-flessione sul dispositivo protesico e sul dispositivo protesico impiantato nell’osso. Sono state quindi valutate le deformazioni massime sulla superficie dell’osso in corrispondenza dei picchi di carico massimo raggiunto. I metodi definiti per lo svolgimento della prova meccanica sul dispositivo protesico e della prova meccanica sull’osso con il dispositivo impiantato consentono di effettuare delle prove meccaniche ripetibili e riproducibili. Tali prove consentono di valutare la resistenza a fatica dello stelo protesico e le deformazioni superficiali dell’osso nel quale è impiantato.

Studio e analisi termo-strutturale di modelli stampati 3D FDM per materiali polimerici

A fianco ai metodi più tradizionali, fin ora utilizzati, le tecnologie additive hanno subito negli ultimi anni una notevole evoluzione nella produzione di componenti. Esse permettono un ampio di range di applicazioni utilizzando materiali differenti in base al settore di applicazione. In particolare, la stampa 3D FDM (Fused Deposition Modeling) rappresenta uno dei processi tecnologici additivi più diffusi ed economicamente più competitivi. Le tempistiche e le richieste industriali obbligano sempre di più i progettisti ad uno studio predittivo delle problematiche che si possono incontrare in fare produttiva. In ambito strutturale questo è già da diversi anni la norma per componenti realizzati con tecnologia tradizionale. In ambito termico, invece, si procede ancora troppo spesso per tentativi seguendo l’esperienza del singolo. Per questo motivo, è necessario uno studio approfondito e un metodo per caratterizzare i transitori termici. Per fare ciò è necessario introdurre un modello semplificativo attraverso l’uso su un provino cilindrico. Questa semplice geometria permette di mettere in relazione la soluzione analitica, la soluzione approssimata agli elementi finiti e la soluzione sperimentale. Una volta ottenuti questi risultati sarà poi possibile, mantenendo invariati il ciclo termico e le caratteristiche termo-strutturali del materiale, modificare a piacimento la geometria per analizzare un qualsiasi componente. Questo approccio permette quindi di realizzare delle analisi FEM sui componenti da stampare e di predirne i gradienti termici e le deformazioni a partire dalle caratteristiche del materiale, della geometria e del ciclo termico a cui sono sottoposti. Permettendo così di valutare in modo preventivo e predittivo problematiche di stabilità geometrica e strutturale.

Ruolo dell'attività di arrampicata nel percorso abilitativo del bambino affetto da Paralisi Cerebrale Infantile: Scoping Review

Background: La paralisi cerebrale infantile (PCI) è una frequente causa di disabilità nei bambini e nei giovani adulti. Consiste in un gruppo di disturbi neurologici permanenti che causano primariamente limitazioni e disfunzioni nello sviluppo motorio; a tali disturbi possono associarsi problematiche sensoriali e cognitive. Una specifica Arrampicata sportiva, mediante una parete adattiva, può essere un’interessante attività terapeutica da associare al tradizionale programma abilitativo per i bambini con PCI. Obiettivo: L’obiettivo di questa Scoping Review è quello di andare a studiare, approfondire e sintetizzare le evidenze della ricerca rispetto al ruolo della parete di arrampicata come attività aggiuntiva e di sostegno all’interno del progetto abilitativo dei bambini affetti da paralisi cerebrale infantile. Metodi: La ricerca sistematica e bibliografica è stata realizzata mediante la consultazione di banche dati, riviste di giornali e grey literature. È stata effettuata un’analisi degli articoli pertinenti rispetto al quesito clinico di partenza: “Cosa ci dice la Letteratura esistente in merito al ruolo dell’attività di Arrampicata nel percorso abilitativo del bambino affetto da Paralisi Cerebrale Infantile?”. Risultati: Dalla selezione sono stati inclusi 8 articoli, eterogenei tra loro rispetto alla tipologia di studio. Il processo di selezioni delle fonti di evidenza è stato riepilogato tramite un diagramma di flusso. I contenuti di ogni articolo sono stati schematizzati in una tabella sinottica e in seguito sintetizzati per ciascuno obiettivo dello studio, partecipanti, intervento e risultati. Conclusioni: I risultati mostrano come nei bambini con PCI un’adattata attività di arrampicata, inserita in un programma fisioterapico, sia uno strumento terapeutico aggiuntivo nel determinare un miglioramento della mobilità e del controllo motorio, principalmente di arti superiori, in funzione di un maggior sviluppo delle abilità nelle ADL.

Caratterizzazione biomeccanica tramite Digital Image Correlation di una protesi osteointegrata per amputati transfemorali

Ad oggi, l’attuale gold standard per il trattamento di amputazioni transfemorali è rappresentato dall’utilizzo di protesi con invaso (socket). Tuttavia, si rileva un elevato grado di insoddisfazione in questo tipo di protesi, dovuto a numerose complicazioni. Per questo sono state sviluppate le protesi osteointegrate. Queste protesi hanno numerosi vantaggi rispetto alla tipologia socket ma presentano anch’esse dei problemi, in particolare complicazioni meccaniche, di mobilizzazione e di infezione. Per questo, lo scopo di questo elaborato di tesi è stato quello di sviluppare ed ottimizzare un metodo per caratterizzare il comportamento biomeccanico di una protesi osteointegrata per amputati transfemorali, tramite Digital Image Correlation (DIC). In particolare, sono state valutate le condizioni e i metodi sperimentali utili a simulare una reale situazione fisiologica di distribuzione delle deformazioni sulla superficie dell’osso una volta impiantata la protesi. Per le analisi è stato utilizzato un provino di femore in composito nel quale è stata impiantata una protesi osteointegrata. È stata effettuata un’ottimizzazione dei parametri della DIC per consentire una misura precisa e affidabile. In seguito, sono state svolte due tipologie di test di presso-flessione sul provino per valutare la ripetibilità dell’esperimento e l’intensità delle deformazioni superficiali al variare del carico in range fisiologico. Il metodo sviluppato è risultato ripetibile, con un errore al di sotto della soglia stabilita. All’aumentare del carico è stato possibile osservare un aumento lineare delle deformazioni, oltre che un’espansione dell’area sottoposta a deformazioni più elevate. I valori di deformazioni ottenuti rientrano nei range fisiologici e sono confrontabili con quelli ottenuti in letteratura. L’applicazione del metodo sviluppato a provini di femore provenienti da donatore umano permetterà la generalizzazione dei risultati ottenuti in questo studio.

Validation of microFE models of human metastatic vertebrae

La colonna vertebrale è uno dei principali siti per lo sviluppo delle metastasi ossee. Esse modificano le proprietà meccaniche della vertebra indebolendo la struttura e inducendo l’instabilità spinale. La medicina in silico e i modelli agli elementi finiti (FE) hanno trovato spazio nello studio del comportamento meccanico delle vertebre, permettendo una valutazione delle loro proprietà meccaniche anche in presenza di metastasi. In questo studio ho validato i campi di spostamento predetti da modelli microFE di vertebre umane, con e senza metastasi, rispetto agli spostamenti misurati mediante Digital Volume Correlation (DVC). Sono stati utilizzati 4 provini da donatore umano, ognuno composto da una vertebra sana e da una vertebra con metastasi litica. Per ogni vertebra è stato sviluppato un modello microFE omogeneo, lineare e isotropo basato su sequenze di immagini ad alta risoluzione ottenute con microCT (voxel size = 39 μm). Sono state imposte come condizioni al contorno gli spostamenti ottenuti con la DVC nelle fette prossimali e distali di ogni vertebra. I modelli microFE hanno mostrato buone capacità predittive degli spostamenti interni sia per le vertebre di controllo che per quelle metastatiche. Per range di spostamento superiori a 100 μm, il valore di R2 è risultato compreso tra 0.70 e 0.99 e il valore di RMSE% tra 1.01% e 21.88%. Dalle analisi dei campi di deformazione predetti dai modelli microFE sono state evidenziate regioni a maggior deformazione nelle vertebre metastatiche, in particolare in prossimità delle lesioni. Questi risultati sono in accordo con le misure sperimentali effettuate con la DVC. Si può assumere quindi che il modello microFE lineare omogeneo isotropo in campo elastico produca risultati attendibili sia per le vertebre sane sia per le vertebre metastatiche. La procedura di validazione implementata potrebbe essere utilizzata per approfondire lo studio delle proprietà meccaniche delle lesioni blastiche.

Effetto dell'emilaminectomia sul rachide lombare: un'analisi biomeccanica in vitro

La stenosi spinale lombare (LSS) è un processo degenerativo frequente nell’attuale popolazione anziana e può essere considerata come la causa principale di chirurgia spinale nei pazienti di età superiore ai sessantacinque anni. Comporta un restringimento del forame vertebrale, che, nei casi più gravi, causa una compressione del midollo spinale e degli elementi neurali e vascolari situati nel tratto lombo-sacrale. Uno dei trattamenti chirurgici di decompressione utilizzato è l’emilaminectomia, che, prevedendo la resezione della lamina di un solo lato della vertebra e di parte del legamento giallo, può portare a una riduzione della stabilità spinale. L’obiettivo di questo studio in vitro è quello di analizzare l’impatto dell’emilaminectomia sulla biomeccanica del rachide. Sei provini, estratti da rachide umano e costituiti da quattro vertebre lombari e una sacrale (L2-S1), sono stati testati meccanicamente in flessione, estensione e flessione laterale sinistra e destra in due condizioni di prova: intatti e post emilaminectomia. La stabilità spinale è stata valutata calcolando il Range of Motion tra le vertebre L2 e S1 agli estremi dei provini. Mediante l’algoritmo di Digital Image Correlation (DIC), sono state estratte e valutate le distribuzioni delle deformazioni dell’intero provino, valutando, in particolare, le deformazioni principali massime e minime sulla superficie del disco intervertebrale L4-L5. I risultati hanno mostrato che l’emilaminectomia ha causato una diminuzione significativa della stabilità spinale solo in flessione, con un aumento del Range of Motion del 54%. L’emilaminectomia non ha causato variazioni nelle distribuzioni delle deformazioni in ogni configurazione di carico. Le deformazioni principali minime sul disco intervertebrale L4-L5, tra le due vertebre in cui è stata eseguita l’emilaminectomia, sono aumentate, in modo statisticamente significativo, del 38% nella flessione nel lato in cui è stato svolto l’intervento di emilaminectomia.

Studio, progettazione e sviluppo della nuova soluzione a velocità incrementata per dispositivi di taglio

Il mondo delle macchine automatiche è in costante evoluzione, ed è in questo contesto che si colloca l’attività di analisi e progettazione oggetto di questo studio. Tutto questo è stato svolto presso l’azienda G.D S.p.A. All’interno dell’Ufficio Tecnico dell’azienda, in collaborazione con l’Ufficio Calcolo, è stata analizzata la resistenza dei componenti, il comportamento deformativo e lo stato tensionale di una testa di taglio principalmente per filtri e cannucce, con lo scopo di sviluppare una nuova soluzione a velocità incrementata, già presente in diverse macchine automatiche e che verrà implementata in molte altre ancora in fase di produzione e progettazione. A tale scopo vengono effettuate diverse verifiche sui componenti, confrontando continuamente i risultati con la situazione attuale di funzionamento e con innovative simulazioni dinamiche e FEM, sull’intero assieme, con lo scopo di prendere in considerazione il maggior numero di contributi alle sollecitazioni, alle deformazioni ed alle vibrazioni possibili, che potrebbero causare criticità o malfunzionamenti del sistema, modellando nel modo più realistico possibile il funzionamento e la movimentazione del meccanismo. L’attuale produttività massima della macchina si attesta su 5000 pz/min con una velocità di rotazione della testa di taglio di 2500 rpm. L’analisi e il miglioramento del sistema ha l’obiettivo di aumentare la velocità di produzione, e quindi di rotazione, a 6000 pz/min e 3000 rpm. Viene infine analizzata la nuova soluzione, verificando anche con prove di funzionamento la validità delle simulazioni e della riprogettazione effettuati. Sono stati studiati e presi in considerazione tutti gli aspetti fondamentali della testa di taglio, nel suo assieme e di ogni suo componente, con lo scopo di migliorarne le prestazioni e la produttività garantendo la sicurezza del meccanismo e al tempo stesso un funzionamento ottimale con la creazione di un prodotto di ottima qualità.

Studio del processo di recupero di Terre Rare da motori di veicoli elettrici a fine vita

Il progetto di tesi consiste nello studio di un processo di recupero di terre rare (Nd, Pr, Dy) da motori di veicoli elettrici a fine vita. La prima parte della tesi è una introduzione che descrive le attuali problematiche legate alle terre rare, dal monopolio cinese a livello di estrazione e produzione alle problematiche di estrazione legate alla legislazione europea. E' presente una descrizione dei magneti permanenti a base NdFeB e le varie applicazioni in cui sono sfruttati. Viene descritta la destinazione attuale di prodotti a fine vita contenenti terre rare ed i principali metodi di recupero, diretti ed indiretti ad oggi conosciuti e studiati su scala di laboratorio. Nella seconda parte della tesi, quella sperimentale, sono illustrati i risultati ottenuti da studi di smagnetizzazione di magneti provenienti da motori di monopattini elettrici ed il loro utilizzo in vista di un eventuale processo di recupero. Sono stati presi come caso studio i componenti di 3 veicoli appartenenti a comuni classi di veicoli elettrici : un'utilitaria, un furgone elettrico ed un'auto ibrida. E' stato quindi effettuato un lavoro di quantificazione e caratterizzazione tramite ICP dei magneti contenenti REEs nei 3 veicoli per comprendere la potenzialità economica del loro riciclo.

Simulazione e controllo di un motore brushless sinusoidale

Nel presente elaborato si prende in esame il modello di un motore sincrono a magneti permanenti alimentato in bassa tensione, avente BEMF sinusoidale, ed il suo sistema di controllo. Nella trattazione, viene studiato il comportamento del motore sulla base delle equazioni caratteristiche della macchina e del controllo ad orientamento di campo, così da poter mettere in luce i parametri che influenzano direttamente le prestazioni oggetto di interesse in ambito industriale e di ricerca. Si illustra, inoltre, la costruzione di un modello del motore e del suo controllo, considerando il motore s602b402 prodotto da SIBONI, in ambiente di simulazione. Tale modello permetterà di osservare la risposta della macchina ai più comuni ingressi forniti dall’utente, quali posizione e velocità, sulla base della taratura dei regolatori del sistema di controllo. A questo proposito, l'elaborato spiega come ottenere i parametri di macchina, necessari per la simulazione e per identificare il modello del motore, attraverso le prove sperimentali e quali differenze emergono tra i risultati ottenuti dall’ambiente di simulazione e quelli al banco. Questo consente, infine, di verificare l’attendibilità del modello e di fornire spunti per poterne migliorare i risultati in vista di sviluppi futuri.