Caratterizzazione meccanica di un'ortesi innovativa per piede-caviglia dinamica customizzata per soggetti affetti dalla sindrome del "piede cadente" ​

Ankle foot orthoses (AFOs) are medical devices prescribed to patients with foot drop, a condition consequence to damages or alteration of the central or peripheral nervous system. Foot drop patients show limited or absent active foot dorsiflexion due to weakness of the ankle dorsiflexor muscles. AFOs allow to restore the foot-to-ground clearance in the swing phase of walking and help reducing the risk of stumbling and falling. While standard off-the-shelf AFOs are cost-effective solutions, they can be uncomforatble as they do not always match the patient’s foot and leg geometry or foot postural alterations, such as severely pronated feet. This can affect the overall quality of life and decrease adherence. Current 3D scanning and manufacturing technologies allow to design and produce custom orthoses that best adapt to the patient’s morphology. This thesis was focused on the analysis of a novel passive dynamic custom AFO designed by the researchers of the Movement Analysis Laboratory at the Istituto Ortopedico Rizzoli. The AFO is produced via Selective Laser Sintering of a fiberglass-reinforced polyamide powder. Specifically, this study focused on the mechanical characterization of the novel custom AFOs. The first aim of this thesis was to comprehend which geometrical parameters are associated to AFO stiffness. This objective was addressed by looking for possible correlations between the main AFO dimensions (the predictors) and the experimental-measured AFO stiffness (the outcome variable) in a sample of 8 AFOs produced for 8 patients with foot drop. Eight multiple linear regression analysis models were tested to determine the combination of AFO dimensions most correlated to AFO stiffness. The second aim of this thesis was to estimate the minimum AFO stiffness capable to support the foot and footwear of foot-drop patients in the swing phase of walking. In order to estimate the minimum AFO stiffness, kinematic data from 10 foot-drop patients were used. This data allowed to determine the maximum plantarflexion moment at the ankle in the swing phase of walking. AFO stiffness was here determined as the stiffness allowing a maximum of 1 deg of ankle plantarflexion. All analyses were performed in Matlab. According to the present study, length, width, and thickness of the AFO calf-shell are the geometrical parameters most correlated to the AFO stiffness. The minimum AFO stiffness to sustain the foot and footwear in the swing phase of walking is about 1.7 N*m/deg. While data from a larger population are needed to confirm the results of this investigation, this study has the potential to provide useful information to customize the mechanical properties of AFOs according to the degree of deficit of each patient.

Le ortesi per piede-caviglia sono dispositivi medici prescritte a pazienti con piede cadente, una condizione conseguente a danni o alterazioni del sistema nervoso centrale o periferico. I pazienti affetti da foot-drop mostrano una limitata o assente dorsiflessione dovuta all’insufficienza dei muscoli dorsiflessori della caviglia. Le ortesi per piede caviglia permettono di ristabilire la distanza piede-terreno nella fase di volo del cammino e aiutano a ridurre il rischio di inciampare e cadere. Sebbene le ortesi per piede caviglia presenti nei modelli standard siano vantaggiose in termini di costi, spesso non si adattano bene alla geometria del piede e della gamba del paziente né alterazioni posturali del piede, come ad esempio piedi affetti da severa pronazione. Ciò può peggiorare la qualità della vita e perciò ridurre l’utilizzo. Le tecnologie 3D attuali di scannerizzazione e manifattura permettono di disegnare e produrre ortesi customizzate che si adattano alla morfologia del paziente. Questo progetto di tesi pone il focus nell’analisi di un’ortesi piede-caviglia innovativa customizzata progettata dai ricercatori del Laboratorio di Analisi del Movimento dell’Istituto Ortopedico Rizzoli. L’ortesi piede caviglia è stata realizzata con la tecnica del Selective Laser Sintering a partire da una polvere di poliammide rinforzata con fibre di vetro. In particolare, questo studio si concentra sulla caratterizzazione meccanica di un'innovativa ortesi per piede caviglia customizzata. Il primo obbiettivo di questa tesi è stato comprendere quali parametri geometrici sono associati alla rigidezza dell’ortesi per piede-caviglia. A questo scopo sono state valutate possibili correlazioni tra le dimensioni dell’ortesi (parametri predittori) e la rigidezza reale dell’ortesi (le variabili in uscita) in un campione di 8 ortesi per piede caviglia realizzate per 8 pazienti con piede cadente. Sono state testate 8 analisi di regressioni lineare multipla per determinare la combinazione delle dimensioni dell'AFO che sono più correlate alle rigidezza. Il secondo obiettivo della tesi è di stimare la rigidezza minima dell’ortesi per piede-caviglia affinchè sostenga il piede e la calzatura del paziente nella fase di volo della camminata. Per stimare la rigidezza minima dell'ortesi, sono stati utilizzati i dati di cinematica di 10 pazienti affetti da foot-drop. Questi dati hanno permesso di determinare il massimo momento plantarflettente sulla cavilgia, nella fase di volo del cammino. La rigidezza dell'ortesi è stat determinata come la rigidezza che permette al più 1 grado di plantarflessione della caviglia. Dallo studio emerge che la lunghezza, larghezza e spessore della parte flettente dell'ortesi sono i parametri geometrici più correlati alla rigidezza dell'AFO. La rigidezza minima dell'ortesi per sostenere il piede e la calzatura nella fase di volo del cammino è di 1.7 N*m/deg. Nonostante sia necessaria una popolazione maggiore da analizzare, per poter confermare i risultati riportati, questo studio offre importanti informazioni per customizzare le proprietà meccaniche dell'ortesi per piede caviglia, considerando anche il deficit di ogni paziente.