The effect of midsole shape on Running Prosthetic Feet during experimental and numerical simulation of a mid-stance inspired test condition: a preliminary study

Resumo Técnico: O Efeito da Forma da Entressola em Pés Protéticos de Corrida

Definição do Problema
Os pés protéticos de corrida (RPF - Running Prosthetic Feet) são componentes passivos de fibra de carbono que armazenam e liberam energia elástica. Embora os fabricantes atribuam categorias de rigidez com base na massa corporal do usuário, essas categorias são diretrizes práticas, não descritores mecânicos precisos. Sabe-se que a resposta mecânica de um RPF varia de acordo com o modelo específico, a altura da lâmina, o alinhamento e a configuração de teste. Atualmente, o ajuste da resposta mecânica de um sistema protético geralmente requer a troca de todo o modelo de RPF, da categoria de rigidez ou do alinhamento, o que pode ser impraticável e dispendioso. Embora a rigidez do calçado influencie a mecânica de corrida de pessoas sem deficiência, a contribuição específica da geometria da entressola para a resposta mecânica dos RPFs permanece mal quantificada. Este estudo aborda se inserções de entressola intercambiáveis podem modificar os descritores mecânicos de um único RPF sem substituir a estrutura primária de fibra de carbono.

Metodologia
O estudo empregou uma abordagem de duas fases: testes experimentais de bancada e modelagem numérica por elementos finitos (FE).

• Configuração Experimental: Um único RPF Ossur Cheetah Xceed CAT 2 (categoria de rigidez para atletas de 63/64 kg) foi testado sob um protocolo de quase-estática, inspirado na fase de apoio médio (mid-stance). O RPF foi montado em um ângulo de fixação de 10°. Quatro configurações distais foram avaliadas:

  1. Controle: RPF apenas com a sola de tração com cravos padrão (Sem entressola).
  2. M01: RPF com um inserto de entressola de EVA em formato parabólico.
  3. M02: RPF com um inserto de entressola de EVA em formato de dupla flexão.
  4. M03: RPF com um inserto de entressola de EVA em formato linear.

  Todos os insertos foram feitos de EVA Shore A 50 e posicionados entre o RPF e a sola de tração com cravos constante. O teste envolveu uma compressão vertical quase-estática de 110 mm a 0,5 mm/s, com a placa de solo livre para translação horizontal para manter uma força horizontal próxima de zero.

• Parâmetros de Caracterização: A resposta mecânica foi quantificada através de:

  • Rigidez equivalente de energia elástica ($K_{eq}$).
  • Razão de Rigidez (Stiffening Ratio - $SR$).
  • Razão de Biaxialidade (Biaxiality Ratio - $BR$).
  • Trajetória do Centro de Pressão (CoP).

• Modelagem Numérica: Modelos de elementos finitos de tensão plana bidimensional foram desenvolvidos no Ansys Workbench para todas as quatro configurações. A lâmina do RPF foi modelada como um material linear-elástico homogêneo com um módulo de Young isotrópico equivalente (calibrado para 72 GPa contra os dados experimentais do controle). A entressola e as camadas de tartan foram modeladas usando formulações hiperelásticas de Yeoh, enquanto a sola foi modelada como linear-elástica. As condições de contato foram definidas como rugosas entre a sola e o tartan.

Principais Resultados

• Modulação de Rigidez: Em relação ao controle (Sem entressola), os insertos parabólico (M01) e de dupla flexão (M02) aumentaram a rigidez global ($K_{eq}$) em 24% e 28%, respectivamente. Por outro lado, o inserto linear (M03) reduziu a $K_{eq}$ em 13%.
• Rigidez e Acoplamento: Todos os três insertos de entressola reduziram a Razão de Rigidez ($SR$), indicando uma mudança na progressão da rigidez local durante a compressão. A Razão de Biaxialidade ($BR$), que representa o acoplamento horizontal-vertical, mostrou apenas mudanças modestas (aumentos de 2 a 8%).
• Centro de Pressão (CoP): As trajetórias do CoP foram dependentes da configuração. M01 e M02 exibiram trajetórias de CoP mais posteriores em baixas compressões, deslocando-se anteriormente conforme a carga aumentava. M03 apresentou uma trajetória mais anterior durante toda a fase de carregamento, atingindo os valores positivos de CoP mais elevados.
• Validação do Modelo: Os modelos de FE reproduziram com sucesso a direção das mudanças experimentais em $K_{eq}$ (aumentos para M01/M02, diminuição para M03). O erro quadrático médio normalizado (RMSE) para as curvas de força-deslocamento variou de 0,82% a 2,18%. No entanto, as discrepâncias foram maiores para a Razão de Rigidez ($SR$), com diferenças percentuais atingindo até 17,65% para M01.

Significância e Alegações
Os autores apresentam este trabalho como uma prova de conceito preliminar e exploratória. O estudo demonstra que a geometria da entressola pode influenciar significativamente a resposta de teste de bancada de um pé protético de corrida, especificamente alterando a rigidez global e a progressão da rigidez durante a compressão. Os achados sugerem que insertos de entressola intercambiáveis poderiam oferecer um método mais simples e econômico para ajustar a resposta mecânica de um RPF em comparação com a substituição do componente principal de fibra de carbono.

Além disso, o estudo indica que modelos de FE simplificados são capazes de suportar a comparação preliminar de tendências de resposta global (como $K_{eq}$) entre diferentes geometrias de entressola, embora sejam menos precisos na previsão de comportamentos de rigidez local ($SR$). Os autores alertam explicitamente que estes resultados são limitados a um único modelo de RPF, uma única categoria de rigidez e condições quase-estáticas. Consequentemente, os achados não devem ser generalizados para outros modelos de RPF ou condições dinâmicas de corrida sem investigação adicional. O estudo conclui que, embora a geometria distal afete as respostas de teste de bancada, trabalhos experimentais adicionais são necessários antes de se tirar conclusões sobre otimização de desempenho ou aplicabilidade clínica.