Bioingegneria della
riabilitazione
Corso di Laurea in Terapia
Occupazionale, I anno, II semestre
Lezione 4
Prostesi Esterne:
Protesi del ginocchio
Pisa , 6/5/2004
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.
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
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”
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.
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.
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.
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.
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.
L’amputazione transfemorale
•
Per i monconi di lunghezza superiore al terzo medio, è conveniente
prevedere (in fase di amputazione), almeno una differenza di 10- 12
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
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
Un esempio di protesi
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 CADCAM.
•
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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
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.
•
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 relativamente 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
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
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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
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.
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.
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.
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)
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.
Confronto tra i vari metodi di allineamento
protesi
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.
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.
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
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 10 - 15 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.
Descrizione dei vari tipi di protesi
• GINOCCHIO POLICENTRICO: E’ spesso chiamato ginocchio a 4barre 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.
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.
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.
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.
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
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.
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.
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).
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.
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.
FINE