Development of a functional outcome prediction strategy for the design of orthoses.

Naar schatting 200 miljoen Europese burgers lijden aan één of andere aandoening aan enkel of voet die gepaard gaat met verminderde functionaliteit van en/of pijn in de voet, het enkelgewricht of het kniegewricht. Door het verouderen van de bevolking neemt het aantal burgers met een dergelijke aandoening toe. Om de gangfunctie van de patiënten te herstellen,worden er dikwijls enkel-voet orthesen (AFO, Ankle Foot Orthosis) voorgeschreven, uitwendige hulpstukken die de beweging van de voet corrigeren. De grote verscheidenheid aan oorzaken van enkelaandoeningen vraagt om een gepersonaliseerde aanpak. Het ontwerp van dergelijke hulpmiddelen steunt momenteel grotendeels op de subjectieve ervaring en kennis van de orthopedist, bewegingsregistratie en voetzooldrukmetingen. Deze subjectiviteit leidt tot een grote onzekerheid in de betrouwbaarheid en functionaliteit van de orthesen. De moderne computertechnologie echter laat in principe toe het ontwerp van orthesen digitaal door te voeren. Dit heeft als voordelen: flexibiliteit in het ontwerp, hoge snelheid van productie,en consistentie in de kwaliteit. Bewegingssimulatie software pakketten,zoals ‘OpenSim’, ‘AnyBody’ en ‘SIMM’, worden gebruikt om het gangpatroon van een patiënt met orthese te analyseren. Het gebruik van voorspellende simulaties wordt momenteel echter sterk beperkt door het ontbreken van een gevalideerd contactmodel dat eveneens berekeningsefficiënt is en de contactkrachten zowel tussen het lichaam als de hulpstukken (AFO/schoen) voorspelt. Dit onderzoek beoogt het concipiëren, implementeren en valideren van een simulatieplatform dat toelaat designcriteria voor een optimale AFO te definiëren, op basis van voorwaartse simulaties die het effect van ontwerpwijzigingen van de AFO op de beweging en de krachtwerkingvan het lichaam voorspellen.

Deze globale doelstelling wordt indit project verwezenlijkt door de huidige simulatiesoftware te verbeteren. Als eerst wordt de krachtwerking van de AFO op het lichaam gekarakteriseerd door middel van een eindige-elementenmodellering. Vervolgens wordt een contactmodel gedefinieerd, geïmplementeerd en gevalideerd, welke algemeen het contact beschrijft tussen het lichaam (voet/been), de externe hulpstukken (schoen/AFO) en de grond. Het verhogen van de berekeningsefficiëntie gebeurt in dit onderzoek door te evolueren naar een surrogaatmodel, waarbij de krachtoverdracht van de AFO op de lichaamsegmenten enhet contactmodel vereenvoudigd worden tot analytische uitdrukkingen. Als laatste wordt dit surrogaatmodel gebruikt in de volledig voorspellendesimulatie, waarbij het gangpatroon van patiënt met orthese wordt gesimuleerd, vertrekkende van het experimenteel opgemeten pathologisch gangpatroon. Dit geeft de nodige informatie om de verschillende ontwerpen van orthese onderling kwantitatief te vergelijken. Via een optimalisatie van een evaluatiecriterium, zoals bijvoorbeeld de staplengte of de energiekost, wordt gekomen tot een optimaal ontwerp van AFO, aangepast aan de patiëntspecifieke functionele noden.