This thesis deals with the design and manufacturing of custom-made immobilization orthosis for the upper limb. Emphasis is put on the digitization of the approach and integration of additive manufacturing in the workflow of splint production. The solution proposes automatic model construction based on a 3D scan. Such a model is further parametrized in order to provide splinting practitioners with customization abilities. Particular attention is paid to the changes of limb volume due to swell, where the use of auxetic structures is suggested.

The work presented in this paper aims at developing a hydraulic actuation system for an ankle exoskeleton that is able to deliver a peak power of 250 W, with a maximum torque of 90 N.m and maximum speed of 320 deg/s. After justifying the choice of a servo hydraulic actuator (SHA) over an electro hydrostatic actuator (EHA) for the targeted application, some test results of a first functional prototype are presented. The closed-loop unloaded displacement frequency response of the prototype shows a bandwidth ranging from 5 Hz to 8 Hz for displacement amplitudes between +/-5mm and +/- 20mm, thus demonstrating adequate dynamic performance for normal walking speed. Then, a detailed design is proposed as a combination of commercially available components (in particular a miniature servo valve and a membrane accumulator) and a custom aluminium manifold that incorporates the hydraulic cylinder. The actuator design achieves a total weight of 1.0 kg worn at the ankle.

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[pt] Desenvolver e construir uma prótese ou órtese com fácil adaptação para o usuário ainda é um grande desafio na área de engenharia em geral. Além disso, o uso de elementos eletromecânicos insere a autonomia e a portabilidade como fatores de dificuldade na construção. Outro ponto é que variações de fatores humanos, como espasticidade, tônus muscular ou alterações decorrentes de doenças como paralisia cerebral ou lesão nervosa, interferem na construção do aparelho. Deste modo, a construção de uma órtese é um trabalho desafiador e multidisciplinar, que envolve uma análise profunda e detalhada desde a aplicação até a construção propriamente dita. O uso de técnicas de indústria 4.0 para tornar a órtese confortável, leve e de facil uso é fundamental para isso, assim como a análise e processamento de biosinais e o controle, fazendo com que cada etapa estaja ligada e ajustada para que o funcionamento esteja correto. Esta tese tem como objetivo avaliar os métodos teóricos e experimentais de construção e avaliação dinâmica de uma bio-órtese de membros superiores utilizando o conceito de indústria 4.0, processos de manufatura digital, otimização multiestrutural, processamentos de biossinais e técnicas de controle não linear. Este estudo foi motivado pelo avanço do uso da manufatura digital no campo da biomedicina, pelo grande desafio sob o ponto de vista de controle, pela variabilidade que esses processos podem ter na construção de órteses na melhoria da qualidade de vida das pessoas com deficiência. / [en] Developing and building a prosthesis or orthosis with easy adaptation for the user is still a major challenge in the engineering area in general. In addition, the use of electromechanical elements inserts autonomy and portability as factors of difficulty in construction. Another point is that variations in human factors, such as spasticity, muscle tone or changes resulting from diseases such as cerebral palsy or nerve damage, interfere with the construction of the device. Therefore, the construction of an orthosis is a challenging and multidisciplinary job, which involves a deep and detailed analysis from the application to the actual construction. The use of Industry 4.0 techniques to make the orthosis comfortable, lightweight, and easy to use is fundamental to this, as is the analysis and processing of biosignals and control, making sure that each step is connected and adjusted so that it functions correctly. This aims to evaluate the theoretical and experimental methods of construction and dynamic evaluation of a bio-orthosis of upper limbs using the concept of industry 4.0, digital manufacturing processes, multi-structural optimization, bio-signal processes and non-linear control techniques. This study was motivated by the advancement of the use of digital manufacturing in the field of bio-medicine, by the great challenge from the point of view of control, by the variability that these processes can have in the construction of orthoses in improving the quality of life of people with disabilities.

La déchirure de la coiffe des rotateurs est une des causes les plus fréquentes de douleur et de dysfonctionnement de l'épaule. La réparation chirurgicale est couramment réalisée chez les patients symptomatiques et de nombreux efforts ont été faits pour améliorer les techniques chirurgicales. Cependant, le taux de re-déchirure est encore élevé ce qui affecte les stratégies de réhabilitation post-opératoire. Les recommandations post-chirurgicales doivent trouver un équilibre optimal entre le repos total afin de protéger le tendon réparé et les activités préconisées afin de restaurer l'amplitude articulaire et la force musculaire. Après une réparation de la coiffe, l'épaule est le plus souvent immobilisée grâce à une écharpe ou une orthèse. Cependant, cette immobilisation limite aussi la mobilité du coude et du poignet. Cette période qui peut durer de 4 à 6 semaines où seuls des mouvements passifs peuvent être réalisés. Ensuite, les patients sont incités à réaliser les exercices actifs assistés et des exercices actifs dans toute la mobilité articulaire pour récupérer respectivement l’amplitude complète de mouvement actif et se préparer aux exercices de résistance réalisés dans la phase suivante de la réadaptation. L’analyse électromyographique des muscles de l'épaule a fourni des évidences scientifiques pour la recommandation de beaucoup d'exercices de réadaptation au cours de cette période. Les activités sollicitant les muscles de la coiffe des rotateurs à moins de 20% de leur activation maximale volontaire sont considérés sécuritaires pour les premières phases de la réhabilitation. À partir de ce concept, l'objectif de cette thèse a été d'évaluer des activités musculaires de l'épaule pendant des mouvements et exercices qui peuvent théoriquement être effectués au cours des premières phases de la réhabilitation. Les trois questions principales de cette thèse sont : 1) Est-ce que la mobilisation du coude et du poignet produisent une grande activité des muscles de la coiffe? 2) Est-ce que les exercices de renforcement musculaire du bras, de l’avant-bras et du torse produisent une grande activité dans les muscles de la coiffe? 3) Au cours d'élévations actives du bras, est-ce que le plan d'élévation affecte l'activité de la coiffe des rotateurs? Dans notre première étude, nous avons évalué 15 muscles de l'épaule chez 14 sujets sains par électromyographie de surface et intramusculaire. Nos résultats ont montré qu’avec une orthèse d’épaule, les mouvements du coude et du poignet et même quelques exercices de renforcement impliquant ces deux articulations, activent de manière sécuritaire les muscles de ii la coiffe. Nous avons également introduit des tâches de la vie quotidienne qui peuvent être effectuées en toute sécurité pendant la période d'immobilisation. Ces résultats peuvent aider à modifier la conception d'orthèses de l’épaule. Dans notre deuxième étude, nous avons montré que l'adduction du bras réalisée contre une mousse à faible densité, positionnée pour remplacer le triangle d’une orthèse, produit des activations des muscles de la coiffe sécuritaires. Dans notre troisième étude, nous avons évalué l'électromyographie des muscles de l’épaule pendant les tâches d'élévation du bras chez 8 patients symptomatiques avec la déchirure de coiffe des rotateurs. Nous avons constaté que l'activité du supra-épineux était significativement plus élevée pendant l’abduction que pendant la scaption et la flexion. Ce résultat suggère une séquence de plan d’élévation active pendant la rééducation. Les résultats présentés dans cette thèse, suggèrent quelques modifications dans les protocoles de réadaptation de l’épaule pendant les 12 premières semaines après la réparation de la coiffe. Ces suggestions fournissent également des évidences scientifiques pour la production d'orthèses plus dynamiques et fonctionnelles à l’articulation de l’épaule. / Rotator cuff tear is one of the most common causes of shoulder pain and dysfunction. The operative repair has been widely performed for symptomatic patients and many efforts have been done to improve the surgical techniques. However, the re-tear rate is still high and this affects post-repair rehabilitation strategies. Post-surgical care should balance between the restriction imposed to protect the repaired tendon and the activities prescribed to restore range of motion and muscle strength. Frequently, early after rotator cuff repair, shoulder is immobilized in a sling or abduction orthosis, but this immobilization includes elbow and wrist joints as well. In this period that may last 4-6 weeks, only passive range of motion exercises are performed. After removing the immobilizer, patients are encouraged to do active assisted and active range of motion exercises respectively to regain the full active range of motion and be prepared for the resistance exercises in the following phase of rehabilitation. Electromyography of shoulder muscles has provided scientific basis for many of rehabilitation exercises during this period. Anecdotally, the activities of less than 20% of the maximal voluntary contraction of rotator cuff muscles are considered safe for the first phases of rehabilitation after rotator cuff repair. Using this concept, the aim of this dissertation is to evaluate the activity of shoulder musculature during some movements and exercises that can theoretically be performed during the early phases of rehabilitation. Three main questions of this thesis are: 1) Do elbow and wrist mobilizations highly activate rotator cuff muscles? 2) Do some resistance exercises of arm, forearm and chest muscles produce high activity in rotator cuff muscles? 3) During active arm elevation, does the plane of elevation affect rotator cuff activity? In our first study, we evaluated 15 shoulder muscles in 14 healthy subjects with both surface and indwelling EMG. Our results showed that while wearing a shoulder orthosis, elbow and wrist movements and even some resistance training involving these two joints, would minimally activate the rotator cuff muscles and can be considered safe. We also introduced some daily living tasks that can be performed safely during immobilization period. These findings may help to modify the design of current shoulder orthoses. In the second study, we also showed that resisted arm adduction against a low-density foam that replaced the hard wedge of orthosis would not highly activate the cuff muscles. In our final study, we evaluated the EMG of shoulder musculature during arm elevation tasks in 8 symptomatic patients with rotator cuff tears. We found that supraspinatus activity during arm elevation is significantly higher in abduction plane than in scaption and flexion planes in patients with rotator cuff tears. This suggested a plane sequences for active range of motion exercises during rehabilitation. The findings that are presented in this dissertation, suggest some modifications in the rehabilitation protocols during the first 12 weeks after rotator cuff repair. These suggestions also provide a scientific basis for producing more dynamic and functional shoulder orthoses.

The following report presents a Master thesis project about a re-design of an ankle foot orthosis using additive manufacturing as the production method, conducted by a student in Spring 2020 as part of the Master’s programme Industrial Design at Jönköping University’s School of Engineering. Ankle foot orthoses are the most prescribed lower extremity orthoses worldwide and are worn in a visually obtrusive way making patients feel stigmatized for their disability. The social stigma makes it emotionally difficult for many users to wear an AFO frequently enough for proper rehabilitation. Despite its significance and wide spread use, its design has not changed for over 50 years. Traditional manufacturing methods are difficult to work with and make customization options very limited. By using digital additive manufacturing methods like 3D Scanning, 3D printing and computer simulations, it is possible to offer personalized looks for AFOs by implementing almost any custom pattern expressed in cut-outs on the AFO surface. That kind of perforation simultaneously solves the problem of bad perspiration and air flow. The freedom of graphical expression in those patterns invite the patient to participate in the design process themselves to create an ankle foot orthosis that is their own. That revolutionary twist on the manufacturing and design process empowers the user to take control over their disability to the furthest degree possible and returns the human right of self-determination and independence to them. / Följande rapport presenterar ett examensarbete gällade en omdesign av en ankel-fot-ortos med additiv tillverkning som produktionsmetod, genomförd av en student våren 2020 som del av masterprogrammet Industrial Design vid Jönköpings universitets tekniska högskola. Ortoser för fotleden är de mest föreskrivna ortoserna för underkroppen i hela världen och bärs på ett visuellt påträngande sätt vilket gör att patienterna kan känna sig annorlunda eller utanför för sin funktionsnedsättning. Den sociala stigmatiseringen gör det känslomässigt svårt för många användare att bära en AFO ofta nog för korrekt rehabilitering. Trots dess betydelse och breda användning har designen inte förändrats på över 50 år. Traditionella tillverkningsmetoder är svåra att arbeta med och begränsar alternativen för anpassning. Genom att använda digitala metoder för additiv tillverkning som 3D-skanning, 3D-utskrift och datorsimuleringar är det möjligt att erbjuda ett personligt utseende för AFO genom att införa en stor mängd anpassade mönster i form av utskärningar på AFO-ytan. Denna typ av perforering löser samtidigt problemet med svett och dåligt luftflöde. Friheten för grafiskt uttryck genom dessa mönster låter patienten delta i själva designprocessen för att fotledsortosen ska kännas som deras egen. Detta nya synsätt på utveckling på tillverknings- och designprocessen gör det möjligt för användaren att ta kontroll över sin funktionsnedsättning i största möjliga grad och återställer känslan av självständighet.

Le pied plat flexible affecte 20-25% de la population adulte. Il est caractérisé par un affaissement anormal de l’arche longitudinale médiale en charge ainsi qu’une pronation excessive du pied. Les orthèses plantaires (OPs) représentent la prise en charge conservatrice la plus fréquemment utilisée au regard de cette pathologie. Toutefois, il existe un manque de consensus quant à leur effet bénéfique, notamment à cause de la variété d’OPs (géométrie et matériaux) utilisée. Ces dernières années, le développement des techniques d’impression 3D a permis d’innover et de faciliter la production d’OPs sur-mesure. Les réalisations actuelles ne se sont cependant limitées qu’à des formes monolithiques reposant sur la forme du pied. L’objectif de cette thèse est d'approfondir les connaissances relatives à l’impact des OPs sur la biomécanique du pied plat, afin d’aider au développement et à l’évaluation d’une OP originale imprimée en 3D. À cet égard, trois objectifs spécifiques ont été définis : (1) investiguer l’effet de la forme géométrique des orthèses plantaires chez des personnes ayant des pieds plats flexibles ; (2) quantifier l’effet de la rigidité d’OPs imprimées en 3D et celle de l’addition d’éléments anti-pronateurs novateurs sur la cinématique du pied ainsi que les pressions plantaires ; (3) évaluer l’impact d’OPs sur-mesure imprimées en 3D sur la biomécanique des membres inférieurs chez des personnes ayant des pieds plats. Par la réalisation d’une revue systématique avec méta-analyse, l’effet de la forme géométrique des OPs sur la cinématique et la cinétique du membre inférieur lors de la marche chez des personnes ayant les pieds plats a pu être déterminé. Seules les études ayant clairement décrit les modifications géométriques des OPs utilisées ont été incluses. Elles ont ensuite été divisées en cinq groupes en fonction de leur forme géométrique : avec stabilisateur d’arrière-pied médial, avec stabilisateur d’avant-pied médial, avec combinaison d’un stabilisateur d’arrière-pied et d’avant-pied médial, avec stabilisateur neutre, et avec support d’arche. La revue a ainsi mis en évidence que l’utilisation de stabilisateur médiaux était la modification géométrique la plus efficace pour réduire l’éversion de l’arrière-pied et ainsi contrôler la pronation excessive. Cependant, l'hétérogénéité dans les protocoles expérimentaux contribue à la faible évidence au regard des effets des OPs sur la biomécanique de la marche chez des personnes ayant les pieds plats. Sur la base des observations tirées de notre revue de la littérature, des stabilisateurs d’arrière-pied innovants (neutre avec extension sous l’arche) ont été développés pour être utilisés avec une OP originale imprimée en 3D. Par conséquent, l’objectif de notre deuxième étude était de quantifier l’effet de ces stabilisateurs mais aussi de déterminer l’impact de la rigidité de notre OP sur la cinématique du pied et les pressions plantaires. Pour se faire, 15 hommes en bonne santé et ayant les pieds neutres (pointure 9.5-10 US) ont été recrutés afin de s’affranchir de l’interaction possible avec une pathologie. Ainsi, il a été mis en évidence qu’une augmentation de la rigidité était associée à une réduction plus importante de l’éversion à l’arrière-pied (Différence Moyenne (DM) = -0.83°). Cette dernière a d’autant plus été réduite par l’ajout de stabilisateurs (DM = -1.15° et -2.43°). Au niveau des pressions plantaires, outre le transfert de la charge vers le médio-pied induit par le port des OPs, l’augmentation de la rigidité a contribué à accentuer les pics de pression sous l’arche et l’arrière-pied (DM de +21.6% à +31.7%). Enfin, notre troisième étude avait pour but d’évaluer l’impact d’OPs personnalisées et imprimées en 3D sur la biomécanique des membres inférieurs chez des personnes ayant des pieds plats. Pour ce faire, 19 patients recrutés par l’intermédiaire de podiatres ont reçu deux paires d’OPs sur-mesure, respectivement flexible et rigide, et ont participé à une évaluation biomécanique (cinématique, cinétique, pressions plantaires). L’augmentation de la rigidité n’a eu que peu d’effets sur la cinématique et les efforts articulaires. Elle a cependant été associée à une augmentation des pressions sous l’arche (DM = +34.4% pour la pression moyenne). L’effet de notre stabilisateur a également été quantifié. Il a été associé à une réduction significative de l'éversion à l’arrière-pied (DM = -2.0°), une réduction du moment interne d'inversion à cheville (DM = -0.03 Nm/kg), et à une légère augmentation du moment interne d’abduction au genou (DM ≈ +0.04 Nm/kg). Dans l’ensemble, le présent travail de thèse a permis de mieux saisir les mécanismes d’action des OPs sur la biomécanique des personnes ayant les pieds plats, de guider le développement d’une OP imprimée en 3D et de stabilisateurs d’arrière-pied innovants, et de confirmer que l’ajout d’éléments anti-pronateurs est essentiel afin d’observer un impact bénéfique des OPs sur le contrôle de la pronation excessive. / Flatfoot has been reported to affect around 20–25% of the adult population. It is defined by an abnormally low medial longitudinal arch upon weight bearing and an excessive foot pronation. Foot orthoses (FOs) have commonly been used as a conservative treatment to manage this deformity. However, due to the variety of FOs (geometrical designs and materials) that have been used, there is still low evidence of their beneficial effect. In recent years, the advent of 3D printing techniques has facilitated the production of innovative and customized FOs. Yet, current achievements are limited to monolithic form based on the foot shape. The objective of this thesis was to deepen the knowledge relative to FOs’ impact on flatfoot biomechanics, in order to help the development and the assessment of an original 3D printed FO. Three specific objectives were defined for this purpose: (1) investigate the effect of FOs, based on their geometrical design, in individuals with flexible flatfeet; (2) asses the effect of 3D printed FOs stiffness and newly designed anti-pronator components on foot kinematics and plantar pressures; and (3) evaluate the impact of custom 3D printed FOs on lower extremity biomechanics in individuals with flatfeet. Though a systematic and meta-analysis review, the effects FOs geometrical design on lower limb kinematics and kinetics during walking in people with flatfeet has been determined. Only studies that clearly described FOs geometrical design were included. They were then categorized into five groups based on the geometrical design of FOs: with medial rearfoot posting, with medial forefoot posting, with a combination of forefoot and rearfoot posting, with neutral rearfoot posting, and with arch support. The review highlighted that medial postings are the most effective FO feature to reduce the rearfoot eversion and therefore control excessive foot pronation. However, heterogeneity between study protocols contributes to low evidence of beneficial effects of FOs on flatfeet biomechanics during walking. Based on our literature review, innovative rearfoot postings (neutral with an extension under the medial arch) have been developed for an original 3D printed FO. Hence, our second study aimed to determine the effect of these postings as well as the stiffness of our FO on foot kinematics and plantar pressures. To do so, a study involving 15 healthy men with neutral feet (shoe size 9.5-10 US) was carried out. Healthy people were recruited to avoid any interaction with a pathology. The study showed that increasing FOs stiffness was associated to a greater reduction in rearfoot eversion (Mean Difference (MD) = -0.83°). Rearfoot eversion was further decreased when adding the rearfoot postings (MD = -1.15° and -2.43°). Looking at plantar pressures, besides a shift of the loads to the midfoot region while wearing FOs, higher peak pressures under the rearfoot and the medial arch (MD from +21.6% to +31.7%) were observed when increasing the FOs stiffness. Finally, the third study aimed at evaluating the impact of custom 3D printed FOs on lower extremity biomechanics in individuals with flatfeet. Nineteen patients, recruited by experienced podiatrists, were given two pairs of custom 3D printed FOs and participated in a biomechanical analysis (kinematics, kinetics, plantar pressures). Increasing FOs stiffness had little effects on kinematics and joint moments. However, it resulted in higher plantar pressures under the arch (MD = +34.4% for mean pressures). The addition of our rearfoot posting was associated with notable effects; it significantly reduced the eversion angle (MD = -2.0°) and inversion moment at the ankle (DM = -0.03 Nm/kg), and increased slightly the knee abduction moment (MD ≈ +0.04 Nm/kg). Overall, the present thesis has provided a better understanding on how FOs impact the biomechanics of individuals with flatfeet, helped the development of a 3D printed FO as well as innovative rearfoot postings, and confirmed that anti-pronator components are essential to observe a beneficial impact of FOs on the control of excessive foot pronation.