Bioingegneria della riabilitazione

Presentazione sul tema: "Bioingegneria della riabilitazione"— Transcript della presentazione:

1 Bioingegneria della riabilitazione
Corso di Laurea in Terapia Occupazionale, I anno, II semestre Lezione 4 Prostesi Esterne: Protesi del ginocchio Pisa , 6/5/2004

2 Breve premessa storica
In epoca moderna i primi studi scientifici sulle protesi del ginocchio furono compiuti in Europa. Certamente il numero di mutilati della Prima Guerra Mondiale, accelerarono lo sviluppo nella tecnologia delle protesi. Soprattutto in Germania, ad opera di Braune e Fischer, nonché di Schede, si registrarono significativi progressi nelle metodologie di analisi del passo e nella costruzione di protesi di vario tipo. Nel 1946 una commissione americana visitò l’Europa e rimase stupita dei progressi realizzati nel settore, ciò che stimolò gli Stati Uniti ad affidare a centri universitari, tra cui l’Università di Berkeley, lo studio della tecnologia delle protesi e della biomeccanica.

3 Breve premessa storica
Intorno agli anni ‘50 era comune discutere l’adattamento e l’allineamento delle protesi quali problemi separati nelle seguenti aree: • Adattamento dell’invasatura • Allineamento per la stabilità e la camminata • Selezione dei componenti

4 Introduzione La sostituzione del ginocchio con una protesi esterna richiede alla persona che indossa la protesi stessa un impegno non trascurabile. Gli obiettivi di una protesi del ginocchio sono quelli di una camminata fluida con il minimo impegno di energia. Esiste una grande varietà di protesi del ginocchio, ciascuna di queste adatta ai bisogni ed allo stile di vita dell’amputato. “He said someting about gait improvment by speed”

5 CYCLING PROSTHESIS Questa protesi transtibiale leggera e’ stata progettata specificatamente per pedalare ed e’ attaccata al pedale della bicicletta. Il design aerodinamico elimina movimenti e giochi, per massimizzare la trasmissione di potenza dal ciclista al pedale (1250 gr) La versione usata per le olimpiadi di Atlanta fu costruita da un ingegnere australiano materiale laminato.

6 ELASTIC STRAIN ENERGY PR OS THESIS
Arto prostesico progettato per un lanciatore di baseball amputato transfemorale Questo progetto unico fu sviluppato usando una struttura laminata per permettere una determinata risposta elastica di forza necessaria in questo sport.

7 WATERSKI SEAT Questo modulo termoplastico personalizzato di seduta permette ad un amputato bilaterale un controllo completo dello sci. Il sedile incavo e’ regolabile in altezza e facilmente rimovibile dallo sci mentre la struttura aerodinamica riduce la massa d’acqua.

8 Le amputazioni Possiamo distinguere tre tipi di amputazione: • L’amputazione transfemorale • Le disarticolazioni del ginocchio • L’amputazione transtibiale L’amputazione transfemorale L’amputazione transfemorale ottimale è collocabile al terzo medio della coscia. A questo livello, quando la causa dell’amputazione e la situazione lo consentono, conveniente impiegare la tecnica di amputazione osteomioplastica.

9 L’amputazione transfemorale
L’amputazione osteomioplastica permette di realizzare distalmente un ottimo moncone, che garantisce un carico terminale: 1. dà la possibilità di utilizzare l’invasatura a contatto totale; 2. consente di proteggere distalmente l’estremità ossea, evitando che si presenti sotto la cute nel momento del sollevamento della protesi nella fase di lancio e di conservare l’equilibrio tra muscoli antagonisti. Con monconi di questa lunghezza è possibile l’applicazione di qualsiasi tipo di articolazione protesica di ginocchio. La riduzione della lunghezza del moncone, rispetto al livello ottimale, corrisponde ad una crescente difficoltà nella costruzione ed allineamento dell’invasatura. Infatti la progressiva perdita delle inserzioni dei muscoli adduttori (in particolare del grande adduttore) tende a portare il moncone in flessione ed abduzione, rendendone difficoltosa o impossibile la correzione assunta.

10 L’amputazione transfemorale
Per i monconi di lunghezza superiore al terzo medio, è conveniente prevedere (in fase di amputazione), almeno una differenza di cm rispetto alla rima articolare. Questo per poter applicare la maggior parte dei ginocchi protesici, ed evitare una dismetria in posizione seduta rispetto al ginocchio controlaterale. Qualsiasi livello di amputazione del femore sia compreso tra questi due può essere considerato valido per l’applicazione di una protesi. Le condizioni del moncone riferite al suo livello di amputazione, stato della muscolatura, consistenza del tessuto sottocutaneo, cicatrici etc., nonché le circostanze fisiche e psico-cliniche del paziente influiscono direttamente sulla scelta del tipo di protesi adeguata per ottenere il recupero di una deambulazione accettabile dell’amputato

11 Protesi per amputazioni al di sopra del ginocchio
I fattori di base che influiscono su una buona funzione della protesi al di sopra del ginocchio sono: • Tipo di invaso • Modello e caratteristiche dell’articolazione meccanica del ginocchio, Caviglia-piede • Scelta dei componenti • Corretto allineamento • Peso adeguato della protesi

12 Un esempio di protesi

13 L’invasatura L’invasatura è il componente più importante della protesi. Essa si interfaccia con il moncone, e su essa avviene la trasmissione del peso corporeo. E’ realizzata su calco di gesso o su misure rilevate con sistema CAD-CAM. La qualità della protesi ed il comfort del paziente dipendono in gran parte dall’invasatura Nella preparazione dell’invasatura di coscia, il fatto che il moncone non possa essere naturalmente caricato, richiede particolare attenzione per la realizzazione della protesi.

14 L’invasatura L’elemento di collegamento tra il corpo dell’amputato e la protesi deve essere in linea con i seguenti principi: • Esatto rilevamento del volume del moncone. • Perfetta aderenza della protesi al moncone. • Buona capacità di sopportare peso e sollecitazioni. • Comando sicuro della protesi. • La circolazione arteriosa, venosa e linfatica non devono essere compromesse, ed eventuali punti di pressione non fisiologici sono da evitare. • Invasatura lenta (viene tenuta in posizione da cinghie). Invasatura con valvola senza contatto del moncone distalmente. • Invasatura con valvola a contatto totale, ma senza carico distale. • Tutte le singole aree dell’invasatura devono corrispondere esattamente all’anatomia del moncone.

15 L’invasatura Invasatura quadrangolare per protesi transfemorale L’interno dell’invaso è formato da quattro lati a contorno irregolare con rientranze e salienze. Le rientranze servono per esercitare pressione su determinate aree di tessuto molle al fine di aiutare a sopportare il peso, mentre le salienze evitano pressioni eccessive sui muscoli in contrazione, tendini e punti ossei prominenti. L’altezza dei lati dell’invaso è disuguale.

16 L’invasatura La parete o lato mediale è posta orizzontalmente a 1.5 cm sotto al perineo e si unisce alla parete posteriore di uguale altezza, fino a circa 2/3 della lunghezza totale, poi comincia a salire fino a raggiungere il livello più alto alla metà della lunghezza della parete laterale.

17 L’invasatura A partire da qui, scende di nuovo fino ad arrivare sulla parete anteriore, sotto alla piega inguinale, per unirsi infine alla parete mediale alla stessa altezza di questa. Le diverse altezze non sono casuali.

18 L’invasatura La parte anteriore, circa 7 cm più alta della posteriore, ha lo scopo di non permettere lo spostamento del moncone in avanti e di mantenere l’ischio sopra il suo appoggio. La zona mediale non deve esercitare pressione sul perineo quando il paziente cammina o sta in piedi.

19 L’invasatura La regione posteriore è orizzontale rispetto al suolo ed è situata al di sotto della tuberosità ischiatica. E’ il punto su cui grava quasi tutto il peso dell’amputato. La parete laterale sale, nel suo punto medio, di circa 10 cm rispetto alla zona perineale. E’ il lato più alto ed ha lo scopo di far sì che il malato non oscilli durante la marcia

20 L’invasatura CAT-CAM L’acronimo CAT-CAM indica Contoured Adducted Trochanteric - Controlled Alignment Method. L’impiego di un’invasatura CAT-CAM è particolarmente indicata per amputati affetti da angiopatie e soprattutto in presenza di cicatrici o bypass e in pazienti che hanno dei problemi all’ischio. Invasatura a contenimento d’ischio. Si tratta di un’invasatura con una forma particolare, che prevede l’inglobamento dell’ischio al suo interno nonché una presa su tutta la muscolatura e sul gran trocantere. La sezione dell’invasatura diversa da quella normalmente usata.

21 L’invasatura CAT-CAM Nel CAT-CAM non c’è appoggio ischiatico, l’ischio contenuto ma non compresso. L’invasatura ovale, a differenza di quella quadrangolare è relativamente larga in direzione antero-posteriore e relati-vamente stretta in direzione mediale-laterale. La distribuzione delle forze, sia in fase statica che dinamica del cammino, è uniforme su tutto il moncone. L’estremita distale non riceve un carico maggiore rispetto alle altre parti del moncone. Questo fatto rende l’invasatura particolarmente indicata per pazienti con monconi corti

22 L’invasatura CAT-CAM Nell’invaso CAT-CAM ci sono tre punti di sostegno nella fase statica: 1. Parte mediale dell’ischio (l’ischio non porta quindi peso, ma è contenuto medialmente ed anteriormente in modo che non possa spostarsi). 2. Una forza opposta che ci garantisce ladduzione del femore distalmente e nella parte prossima le. 3. La parte alta laterale per stabilizzare il bacino

23 L’invasatura CAT-CAM • Nella realizzazione dell’invaso è particolarmente importante tenere conto delle differenze tra uomo e donna ed è richiesto al Tecnico Ortopedico un impegno molto elevato. • L’invasatura CAT-CAM è realizzata in materiali termoformabili trasparenti per facilitare l’espansione muscolare e garantisce una migliore congruenza con il moncone; rinforzata esternamente con una struttura portante a telaio aperto in fibra di carbonio. • Nell’allineamento non bisogna dimenticare di tenere conto dell’adduzione e della flessione dell’invasatura che stata rilevata sul paziente. L’adduzione particolarmente importante per la corretta distribuzione del peso, per la stabilità laterale e per dare la corretta tensione della muscolatura. • L’invasatura CAT-CAM viene lavorata come invasatura a contatto; fondamentalmente è la tecnica di modellazione in base alle misure del moncone ed estremamente complicata.

24 L’invasatura quadrilaterale
L’invasatura quadrilaterale (o tradizionale) prende il nome dalla sua forma geometrica quando viene osservata dall’alto. Figura: Confronto tra invasatura quadrilaterle (destra) e quella a contenimento d’ischio (sinistra) Le differenze consistono nelle modifiche realizzate al fine di distribuire le pressioni.

25 L’invasatura quadrilaterale
La caratteristica più importante degli invasi quadrangolari è quella di stare a contatto totale con il moncone, includendo l’estremo distale. Distribuzione del carico su un invaso a contatto totale L’invasatura a contatto totale, contribuisce a normalizzare la circolazione sanguigna del moncone e favorisce il ritorno venoso. Ciò evita la formazione di edemi e problemi dermatologici. Aumentando l’area di sostegno del peso del corpo si distribuiscono meglio i punti di pressione. Viene altresì stimolata la risposta sensoriale del moncone procurando all’amputato un buon controllo della sua protesi.

26 Invaso per disarticolazione d’anca
• La presa di bacino è espressamente realizzata su calco e costituisce un ottimo sistema di ancoraggio. Essa viene realizzata di norma, in resina laminata in parte rigida (dove viene collegata la struttura scheletrica) ed in parte di resina flessibile, per consentire una sua facile apertura quando deve essere indossata.

27 Invaso per disarticolazione d’anca
Nella protesi per disarticolazione d’anca, il bordo superiore si prolunga fin sopra le creste iliache che sono utilizzate come mezzo di contro discesa della protesi lasciando libero il movimento della cintura pelvica, necessario all’amputato per vestirsi e per calzare le scarpe. Sia nella parte delle creste iliache sia nella parte inferiore della presa di bacino (tuberosità ischiatica), devono essere rivestite con materiali morbidi quali la gomma, il silicone. Si deve fare in modo da non comprimere la vescica per evitare fastidi all’amputato.

28 Metodi per l’allineamento per protesi al di sopra del ginocchio
Per le protesi sopra il ginocchio, il criterio utilizzato per rendere stabile l’articolazione consiste nell’allineare l’asse del ginocchio artificiale in modo tale che la direzione del carico sopportato dall’invaso passi davanti al ginocchio e forzi l’articolazione nella configurazione estesa di fermo. Questo criterio viene impiegato in tutte le protesi al di sopra del ginocchio. L’operazione che porta al soddisfacimento ditale criterio dicesi allineamento. La procedura di allineamento per ottenere la stabilità può essere condotta in diversi modi.

29 Procedure di allineamento: Il metodo tedesco
La procedura spesso impiegata in Germania prevede che la protesi sia montata con l’ausilio di un filo a piombo che viene teso tra il centro dell’invaso e la mezzeria del piede, così come mostrato in Figura Il trocatere è talvolta impiegato quale punto di riferimento. Per verificare la capacità dell’anca di ruotare rispetto al piede ed al tallone, si pone il tallone in una posizione leggermente elevata, così da far assumere all’anca la posizione più elevata. In tal modo la configurazione assunta dalla protesi è quella che assumerebbe se dovesse ruotare attorno alla parte anteriore del piede

30 Procedure di allineamento Il metodo tedesco
La distanza tra il tallone ed il terreno è detto fattore di sicurezza. Aumentando tale fattore si incrementa la rapidità con la quale il carico è trasferito alla punta anteriore del piede, ovvero la stabilità del ginocchio. La posizione dell’asse del ginocchio rispetto alla linea verticale resta definita dalla caratteristiche cinematiche del cinematismo e del freno. Esistono delle regole per varie combinazioni di protesi di piede e ginocchio.

31 Procedure di allineamento: Il metodo americano
Negli Stati Uniti, la metodologia di allineamento, come mostrato in Figura prevede l’impiego di un filo a piombo a partire dal trocantere. In gergo la linea così individuata dicesi linea TKA. Il metodo americano prevede che: l’asse del ginocchio sia dietro tale linea; L’asse della caviglia appartenga a tale linea. Nel corso dell’allineamento il tallone viene mantenuto a diretto contatto con il terreno in una posizione di riferimento.

32 Procedure di allineamento: Il metodo americano
Il sistema americano si è evoluto a causa della necessità di eseguire l’allineamento prima delle prove di camminata utilizzando dei dispositivi regolabili. Tale sistema, tuttavia, può condurre a protesi troppo lunghe se non si controlla simultaneamente anche l’altezza dell’osso pelvico. Infatti, colui che indossa una protesi allineata con il metodo americano, mentre procede verso la configurazione di riferimento tedesca, è costretto a sollevare sensibilmente l’anca. Ciò spiega la tendenza dei tecnici ortopedici statunitensi ad accorciare di qualche millimetro le protesi al fine di facilitare la camminata.

33 Procedure di allineamento
Alcuni medici, invece, insistono perché l’osso pelvico sia mantenuto a livello nella configurazione di riferimento. In ogni caso l’allineamento andrà eseguito con l’amputato che indossa la protesi in quanto l’esatto punto di contatto del trocantere con la parete dell’invaso non si riesce ad individuare con facilità Metodi di allineamento tedesco (sinistra) ed americano (destra)

34 Procedure di allineamento:
Il metodo di allineamento mostrato in figura costituisce una valida alternativa a quelli appena illustrati ed è particolarmente adatto per gli invasi quadrilaterali. Il punto di riferimento superiore è stabilito nella mezzeria della parete interna dell’invaso. La linea tracciata dal filo a piombo (definita MKS) dista dall’asse del ginocchio 6 mm ca. e conterrà l’asse della caviglia. Nel corso dell’allineamento, il tallone viene leggermente sollevato di 6-10 mm ca, come nel metodo tedesco.

35 Confronto tra i vari metodi di allineamento protesi

36 Protesi per amputati transfemorali
Per l’amputazione transfemorale, l’invasatura preformata, modellabile a bassa temperatura, viene adattata direttamente sul paziente. Un anello rinforzato rende più consistente la parte prossimale dell’invasatura. Le staffe fungono da collegamento alla parte distale della protesi. Tutti i moduli, tranne l’invasatura, sono riutilizzabili; ginocchio e moduli distali sono riutilizzabili nella protesi definitiva. E’ prevista un’estetizzazione standard e le calze di rivestimento.

37 Classificazione dei meccanismi per protesi del ginocchio
Un elevato numero di meccanismi è stato proposto, sia come risultato di programmi di ricerca, sia direttamente da aziende private. L’utente potenziale si trova in difficoltà nel valutare le reali possibilità del prodotto che gli viene proposto. Tuttavia, quando del meccanismo si considerano i suoi elementi base, è possibile in qualche modo risalire alle sue funzionalità. Vi sono ovviamente da considerare delle differenze nei materiale, nel peso, nella tecnologia di costruzione che possono aumentare la durata e la funzionalità. Tuttavia, appare ragionevole classificare i meccanismi di protesi del ginocchio secondo i seguenti criteri: • le caratteristiche che consentono di migliorare la stabilità del ginocchio; • il tipo di meccanismo impiegato per controllare la flessione del ginocchio durante la camminata.

38 Descrizione dei vari tipi di protesi
CERNIERE ESTERNE: soprattutto sono usate per i pazienti con gambe lunghe, buona muscolatura o i disarticolazioni del ginocchio. Le cerniere esterne portano il vantaggio principale di evitare la discrepanza di lunghezza del ginocchio ma non sono molto stabili ed hanno un'apparenza non attraente. ATTRITO COSTANTE AD ASSE SINGOLO: Questo giunto è indicato per la pediatria ed gli amputati con buon controllo della muscolatura. Questo tipo di ginocchio non dovrebbe essere usato se una persona ha i flessori deboli dell'anca o equilibrio difficile. I vantaggi di questo ginocchio sono la relativa leggerezza, durevolezza e manutenzione facile. Lo svantaggio è che ha stabilità inerente e incrementi di velocità danno eccessivi sollevamenti del tallone

39 Descrizione dei vari tipi di protesi
GINOCCHIO a CONTROLLO DI POSIZIONE ATTIVATO DAL PESO: chiamato "il ginocchio di sicurezza" a causa del freno attivato dal peso. Il sistema si blocca a gradi di flessione del ginocchio. Questo ginocchio è indicato per gli amputati con i amputazione femorale corta, gli estensori dell'anca deboli o l'equilibrio difficile. Non dovrebbe essere usato su un paziente attivo o su lungo femorale con buon controllo del muscolo. Gli svantaggi sono la gran manutenzione, il rumore quando si blocca o si sblocca e la difficoltà sulle scale scale.

40 Descrizione dei vari tipi di protesi
GINOCCHIO POLICENTRICO: E’ spesso chiamato ginocchio a 4-barre ed ha un centro di rotazione mobile (o centro istantaneo di rotazione). Ha stabilità inerente eccellente, imita le normali funzioni del ginocchio con l'apparenza migliore e più facile iniziare la flessione del ginocchio. Il ginocchio policentrico ha puo essere applicato a lunghe o brevi amputazioni,in soggetti con flessioni deboli dell'anca o che hanno bisogno del controllo di posizione. L'unico svantaggio è manutenzione e un certo rumore.

41 Descrizione dei vari tipi di protesi
GINOCCHIO A FLUIDO DI CONTROLLO: è usato solitamente per controllare il sollevamento eccessivo del tallone con i pazienti che hanno cadenza variabile (che camminano a velocità differenti). Se associato al ginocchio policentrico ha stabilità inerente eccellente e dovrebbe essere usate con i pazienti attivi. Il ginocchio a fluido di controllo utilizza il petrolio contenuto, l'aria o il silicone (a temperature più basse). Lo svantaggio principale è il peso e la gran manutenzione.

42 Descrizione dei vari tipi di protesi
GINOCCHIO A BLOCCAGGIO MANUALE: Questo ginocchio si blocca manualmente per avere stabilità massima e può essere sbloccato per sedersi. L’amputato "cammina" con il ginocchio bloccato, quindi la protesi dovrebbe essere resa più corta affinché il piede non strisci sul pavimento durante la fase dell'oscillazione. Questo ginocchio è usato per pazienti molto deboli, bilaterali. Gli svantaggi sono un gait artificiale, e il blocco sblocco manuale. FRENATURA: Un’altra possibilità per aumentare la stabilità del ginocchio consiste nell’impiego di dispositivo che tendano a resistere alla flessione del ginocchio attraverso un’azione frenante.

43 Protesi policentriche
La stabilità della protesi può migliorare attraverso l’impiego di meccanismi policentrici. Si definiscono meccanismi policentrici quei dispositivi che consentono al centro di istantanea rotazione (c.i.r.) del moto relativo tibia-coscia di variare la sua posizione durante il moto.

44 Varietà di protesi policentriche
Come mostrato in Figura, in cui i meccanismi sono rappresentati nella configurazione di completa estensione, esistono vari metodi per ottenere lo spostamento del Le protesi policentriche imitano molto bene le funzioni del ginocchio, tendono a flettersi più facilmente. Il ginocchio policentrico si applica agli amputati con arti residui lunghi o corti, con scarsa capacità di flettere l’anca. Gli svantaggi sono la manutenzione ed il rumore

45 Protesi policentriche - Modello A
Il modello A rappresenta un meccanismo a doppio rullo, talvolta denominato ginocchio fisiologico. In questo caso la forma della superficie del condilo determina in quale modo si sposterà il centro di istantanea rotazione.

46 Protesi policentriche - Modello B
Il caso mostrato in Figura costituisce una semplice variante del meccanismo a doppio rullo. In particolare, uno dei rulli è sostituito da un pattino oscillante attorno ad un punto fisso.

47 Protesi policentriche - Modello C
Il caso mostrato in Figura un rullo è sostituito da un’asta incernierata al telaio (coscia) ed al membro mobile (tibia).

48 Protesi policentriche - Modelli D-E-F
In tutti i casi di Figura 20 il meccanismo è un quadrilatero articolato piano. Meccanismo protesi a quadrilatero Si osserva che la posizione iniziale del c.i.r. è la stessa, ma le polari del moto relativo biella-telaio saranno differenti.

49 Protesi policentriche - Modelli G-H
il meccanismo che governa il moto relativo è costituito da una camma (coppia superiore) e da una variante asta-camma. Nel meccanismo di sinistra si tenta di avere un moto di puro rotolamento (realizzato con l’ausilio di un meccanismo a cremagliera), mentre in quello di destra, l’asta fornisce una sorta di guida del movimento.

50 FINE