Analisi del comportamento strutturale di piedi protesici realizzati in materiale composito in condizioni di carico complesse

After the review of relevant literature on lower limb prostheses and their evolution over the centuries, this thesis focused on Foot Prostheses (FPs) that are suitable for athletes amputated to the lower limbs, who participated in sprint running and long jumping. It has been studied the structure of the FPs, the parameters that characterize them, as well as the biomechanical adaptations these prostheses produce in the athletic performance of paralympic athletes who use them. This thesis is a part of the Olympia project and is a product of a collaboration between Unipd and INAIL. Its specific aims include the evaluation of the role of different FPs on the kinetics and kinematics of athletes with Transfemoral (TF) and Transtibial (TT) amputation during Long Jumping and sprint running trials, performed at Padua’s PalaiIndoor. The study focuses on two important parameters measured during in vivo trials: ρCL (the ratio between Antero Posterior and Axial Forces at Clamp) and θCL (the angle between the y-axis of the Clamp and the vertical axis). Specifically, are defined both the variability and the threshold values of these parameters throughout a Running or Long Jumping cycle. These identified values are then used to develop an in vitro loading procedure designed for testing FPs, with the objective of simulating in vivo loading conditions. Using the Colossus 1.0 Test Bench, 13 FPs are subjected to the aforementioned loading procedure. Analysis of the Load Deflection curves obtained from these tests enables the creation of a three-dimensional characteristic map for a specific foot. This map illustrates, for each FP, how the value of Keq (equivalent stiffness) changes with variations in the parameters ρCL and θCL.

La tesi si concentra sull'analisi dei piedi protesici utilizzati da atleti paraolimpici della corsa di velocità e del salto in lungo. Dopo una revisione della letteratura riguardante la storia e l'evoluzione delle protesi agli arti inferiori nel corso dei secoli, il lavoro di tesi si è focalizzata sulla struttura dei piedi protesici, sui parametri che li caratterizzano e sulle adattazioni biomeccaniche che influenzano le prestazioni atletiche degli atleti che ne fanno uso. Questa ricerca è parte del progetto Olympia ed è frutto della collaborazione tra l'Università di Padova e l'INAIL. In particolare, è stato valutato il ruolo dei diversi piedi protesici sulla cinetica e la cinematica degli atleti con amputazione Transfemorale e Transtibiale durante le prove di salto in lungo e corsa di velocità, eseguite presso il PalaiIndoor di Padova. Sono stati esaminati due importanti parametri misurati durante le prove in vivo: ρCL (il rapporto tra le forze antero-posteriori e assiali al Clamp) e θCL (l'angolo tra l'asse y del Clamp e l'asse verticale). Si sono definiti definiti sia la variabilità che i valori soglia di questi parametri durante un ciclo di corsa o salto. Una volta identificati i valori sopra menzionati, sono stati utilizzati per sviluppare una procedura di carico in vitro progettata per testare i piedi protesici, al fine di simulare le condizioni di carico in vivo. Utilizzando il banco di prova Colossus 1.0, si sono sottoposti alla suddetta procedura di carico 13 piedi protesici. L'analisi delle curve di deflessione del carico ottenute da questi test ha permesso la creazione di una mappa tridimensionale caratteristica del singolo piede protesico. Questa mappa illustra, per ogni protesi, come il valore di Keq (rigidezza equivalente) cambi con le variazioni dei parametri ρCL e θCL.