Improvement of a dynamic test bench for knee brace assessment using validated sensorized knee surrogates

Knee injuries are common in various sports. To prevent and reduce these injuries, it has become necessary to develop innovative knee braces specific to each sport. This thesis will mainly analyze knee braces for alpine skiing, as it is one of the most popular winter sports in the world. The University of Padua is collaborating on the development of a new type of knee brace that works with airbag technology. The purpose of these new knee braces is to have a system that activates only when necessary, such as during a fall, without hindering the athlete’s movement during normal performance, unlike the knee braces used until now, which generally consist of sidebars that follow flexion movements but hinder abduction and rotation of the knee. To compare and evaluate the performance of the knee braces, previous thesis work has led to the creation of a dynamic test bench to simulate knee movements, along with the development of two knee surrogates. A first surrogate with a cardan joint knee (ICJ) that integrates rotation sensors and a second biofidelic surrogate called BLS (biofidelic leg surrogate) equipped with various force sensors in the ligaments and tibial plateau have been developed. The aim of this thesis is to improve the knee test bench system to obtain new data from knee braces using the ICJ surrogate knee and to perform validation tests for the biofidelic leg surrogate.

Le lesioni al ginocchio sono comuni in vari sport. Per prevenire e ridurre queste tipologie di traumi è diventato necessario sviluppare ginocchiere innovative specifiche per ogni sport. Questa tesi analizzerà principalmente le ginocchiere per sci alpino essendo uno degli sport invernali più popolari al mondo. L’Università di Padova sta collaborando allo sviluppo di un nuovo tipo di ginocchiera impiega la tecnologia degli airbag. Lo scopo di queste nuove ginocchiere è quello di avere un dispositivo che si attiva solo quando necessario, come durante una caduta, senza ostacolare i movimenti dell’atleta durante la normale performance, a differenza delle ginocchiere utilizzate fino ad ora, che generalmente consistono in barre laterali che seguono i movimenti di flessione ma ostacolano l’abduzione e la rotazione del ginocchio. Per confrontare e valutare le prestazioni dei tutori per il ginocchio, i lavori di tesi precedenti hanno portato allo sviluppo di un banco di prova dinamico per simulare i movimenti del ginocchio, insieme allo sviluppo di due surrogati del ginocchio. È stato sviluppato un primo surrogato con un ginocchio a giunto cardanico che integra sensori di rotazione (ICJ) ed un secondo surrogato biofedele chiamato BLS (biofidelic leg surrogate) dotato di vari sensori di forza nei legamenti e nel piatto tibiale. L’obiettivo di questa tesi è ottenere nuovi dati dalle ginocchiere utilizzando il surrogato ICJ ed eseguire dei test di validazione sul ginocchio biofedele dopo aver apportato miglioramenti al banco di prova dinamico e ai due surrogati del ginocchio.