IT201600081670A1 - Protesi di piede-caviglia a recupero di energia - Google Patents

Description

"Protesi di piede-caviglia a recupero di energia"

DESCRIZIONE

La presente invenzione si riferisce a una protesi di piede-caviglia.

L'articolazione di caviglia permette la flessione dorsale e plantare del piede e quindi garantisce al piede di poter assumere varie inclinazioni (pitch di caviglia).

In una protesi di caviglia si desiderano replicare le funzioni principali di una caviglia umana sana, in particolare quelle legate alla camminata.

Nel periodo del passo di camminata è possibile identificare una fase di appoggio del piede (footflat) e una fase di volo del piede (swing). Queste due fasi sono separate l'una dall'altra da due fasi di transizione: una fase tra foot-flat e swing, ossia la fase in cui il piede inizia ad alzarsi dal terreno, viene identificata come fase di pre-swing ed è la fase in cui un paziente sano apporta energia al passo con la dorsiflessione del piede; la fase invece interposta tra la fase di swing e quella di flat-foot viene identificata come fase di loading response, fase in cui avviene il contatto del terreno con il tallone e la naturale dorsiflessione del piede va ad attutire il colpo con il terreno.

Una delle funzioni fondamentali che si desidera replicare in una protesi è quella dell'accumulo energetico nella fase di appoggio e nel successivo rilascio in fase di pre-swing. Questa funzione consente al paziente di recuperare buona parte dell'energia potenziale del passo e restituirla nella fase propulsiva.

Sono note protesi meccaniche a restituzione d'energia in cui l'accumulo energetico avviene in lamine in composito del piede, mentre la caviglia non partecipa mai a tale recupero energetico. Le protesi meccaniche in generale non garantiscono il movimento naturale della caviglia.

Sono inoltre note protesi di piede di tipo bionico.

Prima funzione di un piede bionico è quella di variare il pitch di caviglia. Per fare ciò un sistema è quello di introdurre un elemento a lunghezza variabile che consente ad un sistema vincolato alla sola rotazione di variare la propria posizione in funzione della lunghezza dell'elemento. Da un punto di vista funzionale ciò è perfettamente analogo a quanto svolto dai muscoli: un muscolo contraendosi varia la propria lunghezza, ed essendo collegato a un osso mediante un tendine ne impone una rotazione. Le articolazioni permettono la rotazione in entrambi i sensi mediante l'utilizzo di una coppia di muscoli, uno protagonista e uno antagonista, che contraendosi a fasi alterne consentono la rotazione in un senso e nell'altro.

Il vantaggio di molte soluzioni meccaniche a lunghezze variabili consiste nel fatto che spesso tali elementi a lunghezza variabile possono lavorare sia a trazione che a compressione (al contrario dei muscoli che possono lavorare solo a trazione). Un valido sistema di tipo meccanico per la regolazione della lunghezza risulta essere un sistema di tipo vite-madrevite, il quale consente di ottenere grandi forze di azionamento con piccole potenze del sistema di generazione del moto rotatorio.

Questa tipologia di controllo della lunghezza viene utilizzato in piedi bionici attualmente in commercio, dato che con un accoppiamento vitemadrevite si riesce ad ottenere un sistema altamente efficiente e al tempo stesso molto compatto.

I piedi bionici attualmente in commercio però assolvono la funzione di recupero dell'energia solamente grazie all'elasticità del piede, mentre non consentono al piede stesso di svolgere la naturale rotazione durante la fase di load-response e la fase di pre-swing.

Uno scopo della presente invenzione è quella di rendere disponibile una protesi di piede-caviglia in grado di unire i vantaggi del piede a restituzione di energia ad un sistema bionico in grado di variare il pitch di caviglia e al tempo stesso di recuperare energia mantenendo stabile il passo.

A fronte di tale scopo, forma oggetto dell'invenzione una protesi di piede-caviglia, comprendente

un elemento di piede avente un'estremità di punta e un'estremità di tallone,

un elemento tibiale avente un'estremità inferiore e un'estremità superiore, l'estremità inferiore dell'elemento tibiale essendo incernierata all'elemento di piede in corrispondenza di un asse di articolazione caviglia posto in prossimità dell'estremità di tallone,

un elemento a bilanciere avente un'estremità anteriore e un'estremità posteriore, l'elemento a bilanciere essendo incernierato all'elemento tibiale in prossimità dell'estremità superiore di questo,

un primo e un secondo elemento a lunghezza variabile aventi ciascuno un'estremità inferiore e un'estremità superiore, in cui l'estremità inferiore del primo elemento a lunghezza variabile è incernierata all'elemento di piede in corrispondenza di un asse di incernieramento posto in un'area che si estende dall'asse di articolazione caviglia all'estremità di tallone, e l'estremità superiore del primo elemento a lunghezza variabile è incernierata all'estremità posteriore dell'elemento a bilanciere, in cui l'estremità inferiore del secondo elemento a lunghezza variabile è incernierata all'elemento tibiale in corrispondenza di un asse di incernieramento posto in prossimità dell'asse di articolazione caviglia, e l'estremità superiore del secondo elemento a lunghezza variabile è incernierata all'estremità anteriore dell'elemento a bilanciere, e in cui uno di detti primo e secondo elemento a lunghezza variabile è accoppiato a un ammortizzatore comandabile per variare caratteristiche di rigidezza e/o smorzamento dell'ammortizzatore, e l'altro di detti primo e secondo elemento a lunghezza variabile è accoppiato a un attuatore comandabile per variare la lunghezza dell'elemento a lunghezza variabile.

Associando la protesi secondo l'invenzione a una sensoristica opportunamente posizionata è possibile attuare una regolazione in tempo reale sia dell'angolo di articolazione della caviglia (nella fase di volo del piede) sia il controllo di smorzamento/ritorno elastico (durante la fase di appoggio). Uno degli elementi a lunghezza variabile agisce da elemento motore, che consente di variare nella fase di swing o di riposo il pitch di caviglia, e l'altro da sistema di smorzamento controllato, che permette di controllare lo smorzamento durante la fase di load response consentendo quindi di ottenere un passo più regolare. Il controllo del ritorno elastico conferisce al dispositivo la capacità di recupero dell'energia del passo grazie alla particolare conformazione del quadrilatero articolato.

Il sistema a quadrilatero articolato consente quindi di avere un sistema polivalente estremamente compatto e con un'alta versatilità di impiego in tutte le tipologie di k-level di impiego.

Forme preferenziali di realizzazione dell'invenzione sono definite nelle rivendicazioni dipendenti, che sono da intendersi come parte integrante della presente descrizione.

Ulteriori caratteristiche e vantaggi della protesi secondo l'invenzione diverranno più chiari con la seguente descrizione dettagliata di una forma di realizzazione del trovato, fatta con riferimento ai disegni allegati, forniti a titolo puramente illustrativo e non limitativo, in cui

la figura 1 rappresenta una vista prospettica di una protesi piede-caviglia secondo l'invenzione;

le figure 2 e 3 rappresentano rispettivamente una vista prospettica e una vista in esploso di un elemento di piede della protesi di figura 1;

la figura 4 rappresenta una vista prospettica di una piastra plantare dell'elemento di piede delle figure 2 e 3;

la figura 5 rappresenta uno schema cinematico della protesi di figura 1;

la figura 6 è una vista analoga alla figura 1, dalla quale è stato rimosso un elemento; e

la figura 7 rappresenta gli angoli dell'articolazione di caviglia.

Con riferimento alla figura 1, è rappresentata una protesi di piede-caviglia, indicata complessivamente con 10.

Nella descrizione che segue i termini spaziali quali ad esempio "anteriore", "posteriore", "inferiore" e "superiore" sono riferiti alla condizione d'uso della protesi.

La protesi 10 comprende un elemento di piede 20, illustrato singolarmente nelle figure 2 e 3.

L'elemento di piede 20 presenta un'estremità di punta 20a e un'estremità di tallone 20b, e comprende tre elementi strutturali ed elementi di collegamento.

Nell'esempio illustrato l'elemento di piede 20 comprende una piastra plantare 21, illustrata singolarmente in figura 4. La piastra plantare 21 ha la funzione di supporto plantare e presenta bassa rigidezza affinché sia simulata la flessione metatarsale e calcaneare. La piastra plantare 21 può essere realizzata in materiale composito ed è ottenuta da una superficie sviluppabile, il che ne semplifica la realizzazione tramite applicazioni di ply di tessuto pre-impregnato.

La piastra plantare 21 comprende un'estremità anteriore 21a e un'estremità posteriore 21b entrambe piane, nonché una porzione intermedia 21c arcuata, presentante concavità rivolta verso il basso, che collega l'estremità anteriore 21a all'estremità posteriore 21b della piastra plantare 21. L'estremità anteriore 21a della piastra plantare 21 presenta un taglio longitudinale 21d estendentesi fino a una parte anteriore della porzione arcuata 21c della piastra plantare 21. Il taglio longitudinale 21d è quindi situato in una posizione corrispondente alla posizione falangea-metatarsale, e consente pertanto la flessione indipendente delle due parti dell'estremità anteriore 21a della piastra plantare 21 separate dal taglio longitudinale 21d, permettendo all'elemento di piede 20 di avere nella zona distale una rotazione di alcuni gradi attorno all'asse longitudinale dell'elemento di piede 20.

Una coppia di fori passanti 21e è ricavata sulla parte anteriore della porzione intermedia 21c della piastra plantare 21; un'altra coppia di fori passanti 21f è ricavata sull'estremità posteriore 21b della piastra plantare 21.

Nell'esempio illustrato l'elemento di piede 20 comprende inoltre una piastra dorsale 23 fissata alla piastra plantare 21. Questo componente svolge la funzione di supporto malleolare e di interfaccia con la piastra plantare 21, e presenta alta rigidezza, superiore a quella della piastra plantare 21, per limitare la flessione dell'elemento di piede 20 alla sola piastra plantare 21. La piastra dorsale 23 può essere realizzata in materiale composito, ed è anch'essa ottenuta da una superficie sviluppabile.

La piastra dorsale 23 presenta un'estremità anteriore 23a e un'estremità posteriore 23b piana fissate alla piastra plantare 21, nonché una porzione intermedia 23c arcuata, presentante concavità rivolta verso il basso, che collega l'estremità anteriore 23a all'estremità posteriore 23b della piastra dorsale 23. La porzione intermedia arcuata 23c della piastra dorsale 23 è verticalmente distanziata dalla porzione intermedia arcuata 21c della piastra plantare 21.

L'estremità anteriore 23a della piastra dorsale 23 presenta un taglio longitudinale 23d in posizione allineata con il taglio longitudinale 21d della piastra longitudinale 21.

Una coppia di fori passanti 23e è ricavata sull'estremità anteriore 23a della piastra dorsale 23; un'altra coppia di fori passanti 23f è ricavata sull'estremità posteriore 23b della piastra dorsale 23.

L'estremità anteriore 23a della piastra dorsale 23, che costituisce una sorta di prolungamento della parte anteriore della porzione intermedia arcuata 23c, è fissata a una parte anteriore della porzione intermedia 21c della piastra plantare tramite una coppia di bulloni 23g, e l'estremità posteriore 23b della piastra dorsale 23 è fissata all'estremità posteriore 21b della piastra plantare 21 tramite un'altra coppia di bulloni 23g. Ciascun bullone 23g comprende una vite e un dado rispettivamente inseriti nei fori 23e, 23f della piastra dorsale 23 e nei fori 21e, 21f della piastra plantare 21.

Nell'esempio illustrato l'elemento di piede 20 comprende inoltre un elemento di supporto cuscinetti 25, fissato alla porzione intermedia arcuata 23c della piastra dorsale 23.

L'elemento di supporto cuscinetti 25, che svolge la funzione di articolazione caviglia, comprende una porzione di base 25a e una coppia di porzioni d'ala contrapposte 25b che si estendono perpendicolarmente dalla porzione di base 25a. Nelle porzioni d'ala 25b sono ricavate rispettive sedi per cuscinetti (non illustrati).

Con riferimento nuovamente alla figura 1, la protesi 10 comprende inoltre un elemento tibiale avente un'estremità inferiore 30a e un'estremità superiore 30b; l'estremità inferiore 30a dell'elemento tibiale 30 è incernierata all'elemento di piede 20 in corrispondenza di un asse di articolazione caviglia yi definito dall'elemento di supporto cuscinetti 25.

L'estremità superiore 30b dell'elemento tibiale 30 è predisposta per ricevere un elemento di attacco (non illustrato) previsto per l'attacco della protesi 10 a un arto inferiore di un utilizzatore.

In corrispondenza dell'estremità inferiore 30a l'elemento tibiale 30 è collegato, in modo ruotabile attorno all'asse trasversale yi, all'elemento di supporto cuscinetti 25, per mezzo di una disposizione di perni (non illustrata).

Con riferimento anche alle figure 5 e 6, la protesi 10 comprende inoltre un elemento a bilanciere 40 avente un'estremità anteriore 40a e un'estremità posteriore 40b. In corrispondenza di un proprio punto intermedio fra le estremità 40a e 40b, l'elemento a bilanciere 40 è incernierato all'elemento tibiale 30 in prossimità dell'estremità superiore 30b di questo, in modo da essere in grado di ruotare attorno a un asse y2parallelo all'asse di articolazione caviglia yi.

L'asse y2può essere equidistante dalle estremità 40a e 40b del bilanciere 40, oppure può presentare distanze differenti da tali estremità.

La protesi 10 comprende inoltre un primo elemento 50 a lunghezza variabile avente un'estremità inferiore 50a e un'estremità superiore 50b. Nell'esempio illustrato il primo elemento 50 a lunghezza variabile è accoppiato a un attuatore 51 previsto per controllare attivamente la lunghezza del primo elemento 50 a lunghezza variabile.

L'estremità inferiore 50a del primo elemento 50 a lunghezza variabile è collegata all'elemento di piede 20 tramite un elemento di incernieramento 53 fissato all'elemento di piede 20. L'estremità inferiore 50a è pertanto incernierata all'elemento di piede 20 in corrispondenza di un asse di incernieramento y3(parallelo all'asse yi) posto fra l'estremità di tallone 20b e l'asse di articolazione caviglia yi.

L'estremità superiore 50b del primo elemento 50 a lunghezza variabile è incernierata all'estremità posteriore 40b dell'elemento a bilanciere 40. Il relativo asse di incernieramento, parallelo all'asse yi, è indicato con y4nelle figure. La variazione della lunghezza del primo elemento 50 a lunghezza variabile corrisponde pertanto a una variazione della distanza fra gli assi di incernieramento y3e y4.

La protesi 10 comprende inoltre un secondo elemento 60 a lunghezza variabile avente un'estremità inferiore 60a e un'estremità superiore 60b.

Nell'esempio illustrato il secondo elemento 60 a lunghezza variabile è accoppiato a un ammortizzatore 61, comprendente due parti scorrevoli in maniera smorzata l'una rispetto all'altra. L'ammortizzatore 61 è comandabile per variare le caratteristiche di rigidezza e/o smorzamento dell'ammortizzatore 61.

L'estremità/parte inferiore 60a del secondo elemento 60 a lunghezza variabile è collegata all'elemento di piede 20 attraverso l'elemento di supporto cuscinetti 25. L'estremità inferiore 60a è pertanto incernierata all'elemento di piede 20 in corrispondenza dell'asse di articolazione caviglia

Yi-L'estremità/parte superiore 60b del secondo elemento 60 a lunghezza variabile è incernierata all'estremità anteriore 40a dell'elemento a bilanciere 40. Il relativo asse di incernieramento, parallelo all'asse yi, è indicato con y5nelle figure. La variazione della lunghezza del secondo elemento 60 a lunghezza variabile corrisponde pertanto a una variazione della distanza fra gli assi di incernieramento yi e y5.

Sebbene per questioni di semplicità costruttiva è preferibile che l'estremità inferiore 60a del secondo elemento 60 a lunghezza variabile sia incernierata all'asse di articolazione caviglia yi, più in generale tale estremità inferiore 60a può essere incernierata all'elemento tibiale 30 in corrispondenza di un qualsiasi asse di incernieramento (parallelo all'asse yi) posto in prossimità dell'asse di articolazione caviglia yi.

Secondo una forma di realizzazione alternativa (non illustrata) la disposizione degli elementi a lunghezza variabile può essere invertita, ovvero il primo elemento 50 a lunghezza variabile può essere accoppiato a un ammortizzatore, e il secondo elemento 60 a lunghezza variabile può essere accoppiato a un attuatore.

Con riferimento alla figura 5, il sistema protesico della caviglia è strutturalmente assimilabile a un sistema ad aste a 5 elementi. Il sistema composto dalle aste 50, 40, 30, 20 risulta essere un quadrilatero articolato, con l'elemento tibiale 30 telaio del sistema e con l'elemento di piede 20. I restanti elementi sono particolari del cinematismo. La variazione di lunghezza del primo o del secondo elemento 50, 60 a lunghezza variabile portano a una variazione della configurazione di equilibrio dell'elemento di piede 20.

Gli elementi 50, 60 a lunghezza variabile hanno le funzioni di regolatore del pitch (angolo di caviglia) e di ammortizzatore. La funzione dell'elemento a bilanciere 40, oltre a quella svolta come membratura del quadrilatero, risulta essere anche quella di vincolo alla rotazione del quadrilatero mediante la struttura a 3 cerniere yi, y2,

Y5-In figura 7 sono rappresentati gli angoli di caviglia massimi α, β raggiungibili dalla protesi sopra descritta, rispetto all'assetto orizzontale.

Il dispositivo sopra descritto presenta un'analogia con il sistema muscolare di un paziente sano, e l'elemento 50 a lunghezza variabile svolge la funzione del tendine di Achille. Al contrario dei piedi bionici noti il sistema a lunghezza variabile non è vincolato direttamente all'elemento tibiale 30, ma al bilanciere 40 che è vincolato al secondo elemento/ammortizzatore 60 a lunghezza variabile che a sua volta è vincolato all'elemento tibiale 30.

In fase di appoggio o propulsione l'elemento di piede 20 tende a ruotare intorno all'asse di caviglia yi per qualsiasi sollecitazione esterna sulla zona distale o calcaneare dato che queste sollecitazioni introducono un momento intorno alla caviglia. La rotazione dell'elemento di piede 20 porta a un abbassamento o innalzamento della cerniera y3tra il primo elemento 50 a lunghezza variabile e l'elemento di piede 20 (cerniera del calcagno, in analogia con il collegamento fra tendine di Achille e calcagno). Il primo elemento 50 a lunghezza variabile che viene trascinato in alto o in basso, durante una fase di sollecitazione non varia la sua lunghezza e tende quindi a trascinare verso l'alto o verso il basso la cerniera y4dell'elemento a bilanciere 40. Tale rotazione viene però osteggiata dal secondo elemento 60 a lunghezza variabile, 1'ammortizzatore, che vede variare la propria lunghezza a causa della rotazione dell'elemento a bilanciere 40. Controllando rigidezza e smorzamento è possibile rendere molto più naturale la fase del passo grazie al mantenimento della libera rotazione della caviglia. Inoltre controllando lo smorzamento in compressione ed estensione dell'ammortizzatore 60 è possibile rendere estremamente confortevole la fase di load response e rendere più efficiente la fase di pre-swing.

Durante la fase di volo l'elemento di piede 20 non riceve sollecitazioni dall'esterno. Per tale motivo 1 la rigidezza del secondo elemento 60 a lunghezza variabile fa sì che in tale fase tale elemento si comporti come elemento a lunghezza fissa. In tal caso si blocca automaticamente la rotazione dell'elemento a bilanciere 40. Per tale motivo qualsiasi variazione in lunghezza del primo elemento 50 a lunghezza variabile porta a una rotazione intorno all'asse y3dell'elemento di piede 20.

Claims (5)

1. RIVENDICAZIONI 1. Protesi di piede-caviglia, comprendente un elemento di piede (20) avente un'estremità di punta (20a) e un'estremità di tallone (20b), un elemento tibiale (30) avente un'estremità inferiore (30a) e un'estremità superiore (30b), l'estremità inferiore (30a) dell'elemento tibiale (30) essendo incernierata all'elemento di piede (20) in corrispondenza di un asse di articolazione caviglia (yi) posto in prossimità dell'estremità di tallone (20b), un elemento a bilanciere (40) avente un'estremità anteriore (40a) e un'estremità posteriore (40b), l'elemento a bilanciere (40) essendo incernierato all'elemento tibiale (30) in prossimità dell'estremità superiore (30b) di questo, un primo e un secondo elemento a lunghezza variabile (50, 60) aventi ciascuno un'estremità inferiore (50a, 60a) e un'estremità superiore (50b, 60b), in cui l'estremità inferiore (50a) del primo elemento a lunghezza variabile (50) è incernierata all'elemento di piede (20) in corrispondenza di un asse di incernieramento (y3) posto in un'area che si estende dall'asse di articolazione caviglia (yi) all'estremità di tallone (20b), e l'estremità superiore (50b) del primo elemento a lunghezza variabi le (50) è incernierata all'estremità posteriore (40b) dell'elemento a bilanciere (40), in cui l'estremità inferiore (60a) del secondo elemento a lunghezza variabile (60) è incernierata all'elemento tibiale (30) in corrispondenza di un asse di incernieramento posto in prossimità dell'asse di articolazione caviglia (yi), e l'estremità superiore (60b) del secondo elemento a lunghezza variabile (60) è incernierata all'estremità anteriore (40a) dell'elemento a bilanciere (40), e in cui uno di detti primo e secondo elemento a lunghezza variabile (50, 60) è accoppiato a un ammortizzatore (61) comandabile per variare caratteristiche di rigidezza e/o smorzamento dell'ammortizzatore (61) e l'altro di detti primo e secondo elemento a lunghezza variabile (50, 60) è accoppiato a un attuatore (51) comandabile per variare la lunghezza dell'elemento a lunghezza variabile (50).
2. 2. Protesi secondo la rivendicazione 1, in cui l'estremità inferiore (60a) del secondo elemento a lunghezza variabile (60) è incernierata all'elemento tibiale (30) in corrispondenza dell'asse di articolazione caviglia (yi).
3. 3. Protesi secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui l'elemento di piede (20) comprende una piastra plantare (21) avente un'estremità anteriore (21a) e un'estremità posteriore (21b) piane, nonché una porzione intermedia arcuata (21c) presentante concavità rivolta verso il basso, e una piastra dorsale (23) avente un'estremità anteriore (23a) e un'estremità posteriore (23b) piana fissate alla piastra plantare (21), nonché una porzione intermedia arcuata (23c) presentante concavità rivolta verso il basso e verticalmente distanziata dalla porzione intermedia arcuata (21c) della piastra plantare (21).
4. 4. Protesi secondo la rivendicazione 3, in cui l'estremità anteriore (23a) della piastra dorsale (23) è fissata a una parte anteriore della porzione intermedia arcuata (21c) della piastra plantare (21), e l'estremità posteriore (23b) della piastra dorsale (23) è fissata all'estremità posteriore (21b) della piastra plantare (21).
5. 5. Protesi secondo la rivendicazione 3 o 4, in cui l'estremità anteriore (21a) della piastra plantare (21) presenta un taglio longitudinale (21d) estendentesi fino a una parte anteriore della porzione intermedia arcuata (21c) della piastra plantare