Modellistica e progettazione di un sistema per il trattamento delle fratture metaepifisarie

Uno dei principali fini dell’Ingegneria Biomedica è quello dello sviluppo di nuove metodologie e dispositivi diagnostici, terapeutici e riabilitativi. Il presente lavoro di tesi è incentrato, per l’appunto, sulla progettazione e messa a punto di uno strumento elettromeccanico di ausilio al chirurgo nella messa in opera dei fili di Kirschner durante un intervento di riduzione delle fratture metaepifisarie con metodi di fissazione elastica endomidollare. Tale tecnica consiste in una iniziale riduzione manuale della frattura, la più anatomica ed incruenta possibile, seguita dall’impianto endomidollare di due fili metallici posti in distrazione dinamica e fissati esternamente tramite una piastrina generalmente di materiale plastico. Questo tipo di intervento viene oggi prevalentemente eseguito utilizzando il Sistema Epibloc, messo a punto dai professori Poggi e Tognoni; nel presente studio ci si è riferiti con particolare attenzione proprio a questo strumento, in virtù della sua larga diffusione. Si è appurato, tramite una ricerca bibliografica, che una delle problematiche legate agli interventi di fissazione elastica endomidollare è proprio la mancanza di strumenti adeguati di ausilio al chirurgo per la messa in tensione dei fili di Kirschner. Ciò si ripercuote in un allungamento della curva di apprendimento della tecnica interventistica, poichè il corretto svolgimento dell’operazione richiede una destrezza ed un’esperienza che non possono naturalmente essere apprese in tempi brevissimi. Per poter sviluppare un apparecchio elettromeccanico per il tensionamento controllato dei fili metallici, è stato necessario uno studio multidisciplinare della tematica. Inizialmente è stato compiuto uno studio di carattere medico delle revisioni critiche presenti in letteratura, che ha permesso di conoscere nel dettaglio la tecnica utilizzata dai chirurghi durante l’esecuzione dell’intervento e le problematiche riscontrate durante lo stesso. Sulla base delle informazioni di carattere medico ricavate tramite la ricerca letteraria, è stato possibile procedere allo sviluppo di un modello biomeccanico che fosse rappresentativo della situazione in esame. Attraverso l’introduzione di opportune ipotesi semplificative, si è potuta ridurre la trattazione biomeccanica del sistema Epibloc allo studio di una trave tridimensionale quattro volte iperstatica, le cui forze esterne applicate sono conseguenza delle deformazioni imposte ad un’estremità della trave stessa dal chirurgo durante la messa in distrazione. Per risolvere la statica della trave iperstatica si è elaborato un modello, basato sulla tecnica degli integrali di Mohr e sulle equazioni di Muller-Breslau, capace di correlare, tramite un sistema di equazioni, le deformazioni imposte con le reazioni vincolari agenti sul filo all’interfaccia con le pareti ossee. Si è quindi sviluppato un programma in ambiente Matlab in grado di risolvere in maniera rapida ed efficace il sistema di equazioni ottenuto; occorre fornire in ingresso al programma i valori relativi alla geometria della trave in esame e delle deformazioni applicate, mentre in uscita si ottengono i valori delle reazioni vincolari. Il modello biomeccanico così sviluppato è stato quindi verificato nella sua correttezza e validità utilizzando la tecnica degli elementi finiti per verificare la coincidenza dei risultati. Per far ciò è stato simulato il caso in esame attraverso il software Ansys, andando a verificare, tramite degli opportuni indici statistici, la concordanza dei risultati ottenuti con il modello analitico sviluppato. Ne è emerso che i valori ottenuti attraverso le due metodiche sono ottimamente congruenti; in questo modo è stata dimostrata la correttezza del modello analitico elaborato, da un punto di vista dei calcoli svolti e delle considerazioni semplificative effettuate. La conoscenza delle forze interagenti nel sistema di fissaggio elastico endomidollare in condizioni stazionarie, ottenuta tramite la modellazione biomeccanica del Sistema Epibloc, è utile sotto molteplici aspetti. Il primo di questi è la verifica della non dannosità delle pressioni applicate sui monconi di frattura, attraverso comparazione dei valori ottenuti dal modello con i valori delle proprietà meccaniche dell’osso corticale reperibili in letteratura. Si è infatti dimostrato che, anche nel peggior caso ipotizzabile, le forze sviluppate non sono tali da costituire un pericolo per la salute delle strutture ossee coinvolte. Il secondo aspetto utile consiste nella possibilità di utilizzare le forze trovate per determinare le specifiche richieste dal sistema elettromeccanico da progettare per la corretta messa in opera dei fili di Kirschner durante l’intervento chirurgico di riduzione della frattura. L’idea di base è quella di utilizzare due attuatori lineari dalle caratteristiche opportune per mettere in tensione i due fili metallici e mantenerli nella posizione corretta mentre il chirurgo effettua il bloccaggio tramite applicazione della piastra in materiale plastico. Vista la criticità dell’applicazione, si dovranno scegliere degli attuatori particolarmente performanti ed affidabili; inoltre si dovrà predisporre un sistema di controllo in retroazione della posizione, a cui verrà unito un feedback costante della forza esercitata dai motori stessi. L’intera apparecchiatura dovrà inoltre avere degli ingombri sufficientemente ridotti ed essere facilmente comandabile attraverso una semplice pulsantiera, in maniera tale che il suo utilizzo risulti semplice ed intuitivo. A partire dalle specifiche e dalla conoscenza della situazione clinica esaminata, si è proceduto alla stesura di uno studio di fattibilità basato sul progetto di massima dell’apparecchio e sulla scelta effettuata dei componenti da utilizzare per la realizzazione fisica dello stesso. Oltre a rendere più semplice ed affidabile la procedura interventistica per la fissazione elastica endomidollare, si ritiene che l’impiego di una simile apparecchiatura di precisione possa costituire un notevole progresso dal punto di vista clinico. Infatti i chirurghi ortopedici sono concordi nel sostenere che ad un aumento della precisione di riduzione dei monconi di frattura corrisponda un migliore recupero funzionale della zona trattata. Una volta scelti i componenti, si è proceduto ad una valutazione del costo complessivo dei materiali da impiegare per la realizzazione dello strumento; sulla base del costo individuato è stato quindi possibile effettuare un’analisi dei costi in relazione ai benefici apportati dall’introduzione dell’apparecchio. L’analisi ha dimostrato la possibilità di ammortizzare in tempi brevi l’investimento compiuto per l’acquisto, grazie alla flessibilità d’impiego ed ai benefici clinici introdotti. Terminata la progettazione di massima e verificata la sostenibilità dell’investimento, si è passati ad una fase di progettazione di dettaglio, specificando le connessioni tra i vari componenti e gli algoritmi di controllo da implementare per il corretto funzionamento della struttura. Sono state inoltre poste le basi per lo sviluppo dell’algoritmo definitivo da implementare nel microcontrollore per far si che esso coordini e gestisca le varie attività della strumentazione elettromeccanica. L’utilizzo di un microcontrollore complica la realizzazione del controllo da un punto di vista concettuale rispetto ad una programmazione sviluppata tramite Personal Computer, ma si ottiene un grande vantaggio in termini di compattezza della struttura finale. Inoltre, per ragioni facilmente intuibili, non sarebbe così semplice introdurre un computer in sala operatoria. Infine si è provveduto alla progettazione, attraverso un software di disegno assistito al calcolatore, della struttura fisica dello strumento, in maniera tale da poter valutare gli ingombri e verificare la possibilità di sterilizzazione o isolamento dei vari componenti. In questo modo si è visto che l’intera struttura potrebbe essere raccolta in un piccolo tavolo, completamente autonomo e facilmente manovrabile. La modularità della struttura facilita poi la sterilizzazione delle varie componenti. La progettazione svolta in questo lavoro di tesi non può ancora considerarsi completa; la criticità dell’ambito operativo cui l’apparecchiatura è destinata obbliga ad un ulteriore affinamento della fase progettuale, alla quale dovrà seguire una fase di sperimentazioni su animale, prima di poter pensare ad un’eventuale applicazione su essere umano. Ad ogni modo sono state poste delle basi concrete per lo sviluppo di un’apparecchiatura, di cui la chirurgia non può disporre al giorno d’oggi, in grado di facilitare la procedura di fissazione elastica endomidollare, diminuendo così le probabilità di errore, e di migliorare il recupero funzionale dei pazienti trattati