Validation of an extended foot-ankle musculoskeletal model using in vivo 4D CT data

To simulate the movement of the human body, it is necessary to create models that represent anatomical structures. In this thesis the focus will be placed on a biomechanical model of the complex foot-ankle implemented in a software for musculoskeletal modeling, in particular OpenSim. OpenSim is software that allows to develop models of musculoskeletal structures and create dynamic simulations capable of estimating the internal parameters of anatomical structures (such as muscle and contact forces between bones), through the simulation of the kinematics and kinetics of the movement of the various anatomical structures involved. In this paper, the starting point was the study of a dataset, acquired by Boey et al. (2020) with 4D CT scan in combination with a foot manipulator device. The study was run on healthy subjects as well as patients with chronic ankle instability. In this way, the kinematics of the movement of the foot bones during simulated gait was evaluated. The aim of this project was to validate a model of the foot-ankle complex, developed by Malaquias et al. (2016), starting from the acquired data, so that, by imposing the movement of the platform, the simulation would return variables comparable to the dataset. This extended musculoskeletal model of the foot-ankle complex is composed of six rigid segments and five anatomical joints (ankle, subtalar, midtarsal, tarsometatarsal, and metatarsophalangeal) for a total of eight degrees of freedom. A footplate was added to this model (to simulate the foot manipulator device utilized in the experiment) and the degrees of freedom of the ankle and subtalar joints were increased, to obtain three degrees of freedom each. After that, a combined inversion\eversion and plantar\dorsiflexion movement was imposed on the footplate and the movement of the foot model was evaluated against the dataset.

Per simulare il movimento del corpo umano, è necessario creare dei modelli che rappresentino le strutture anatomiche. In questo elaborato ci si concentrerà su un modello biomeccanico del complesso piede-caviglia implementato in un software per la modellazione muscoloscheletrica, nella fattispecie OpenSim. OpenSim è un software che consente di sviluppare modelli di strutture muscoloscheletriche e creare simulazioni dinamiche in grado di stimare i parametri interni delle strutture anatomiche (come le forze muscolari e di contatto tra le ossa), attraverso la simulazione della cinematica e la cinetica del movimento delle varie strutture coinvolte. Nel presente elaborato, si è partiti dallo studio di un dataset, acquisito da Boey et al. (2020) tramite scansione 4D CT in combinazione con un dispositivo di manipolazione del piede su soggetti sani e pazienti affetti da instabilità cronica di caviglia. In questo modo è stata valutata la cinematica dell’osso del piede durante il cammino simulato. Lo scopo di questo elaborato è quindi validare un modello del complesso piede-caviglia sviluppato da Malaquias et al. (2016), partendo dai dati acquisiti affinché, imponendo il movimento della pedana, la simulazione restituisca delle variabili comparabili a quelle reali. Il modello muscoloscheletrico esteso del complesso piede-caviglia è composto da sei segmenti rigidi e cinque articolazioni anatomiche (caviglia, sottoastragalica, mediotarsica, tarsometatrsale e metatarsofalangea) per un totale di otto gradi di libertà. A questo modello è stata aggiunto una pedana (per simulare il dispositivo di manipolazione utilizzato nella sperimentazione) e sono stati incrementati i gradi di libertà delle articolazioni di caviglia e sottoastragalica, per ottenere tre gradi di libertà ciascuna. Dopodiché, è stato imposto un movimento combinato di inversione\eversione ed ab-adduzione alla pedana ed è stato valutato il movimento del modello del piede rispetto al dataset.