Valutazione e confronto di modelli personalizzati FEM del piede partendo da acquisizioni di medical imaging da CONE BEAM CT e da MRI 3T: applicazione nel tip toe walking

In questo lavoro di tesi ci si è proposti di effettuare confronti e valutazioni di modelli agli elementi finiti del piede, ottenuti a partire da acquisizioni con varie modalità di imaging medicale e integrati per lo studio di un tipo di andatura alternativa alla camminata classica, ovvero il tip toe walking (camminata in punta). Per effettuare questo studio è stata condotta una gait analysis sia in punta di piedi che in camminata normale, utilizzando marcatori che sono stati posizionati sulla pelle secondo il protocollo sviluppato presso il Laboratorio di Bioingegneria del Movimento dell'Università di Padova [24]. Il piede del soggetto è stato acquisito con 3T MR in scarico e CBCT, dove è stata analizzata la sola condizione di carico in quanto l’acquisizione in posizione seduta ha prodotto un’immagine del piede che risultava sprovvista delle falangi e per questo non è stata considerata. Per valutare il comportamento in vivo del piede sono state lanciate delle simulazioni per ogni modello acquisito, relative alle varie fasi del ciclo del passo: contatto iniziale, risposta al carico, appoggio completo (midstance) e spinta (push off) . Le pressioni plantari estratte da queste prove sono state scelte per effettuare i confronti con i relativi dati sperimentali ricavati durante l'analisi dell’andatura. Per studiare il tip toe walking i dati sperimentali sono stati confrontati con i risultati delle simulazioni delle fasi di risposta al carico, midstance e push off per la CBCT e della simulazione del push off per la 3T MR. Osservando la forma delle superfici di pressione sono state riscontrate notevoli differenze con il dato acquisito dalla gait analysis. Nelle simulazioni ottenute a partire da CBCT l’area della mappa pressoria è risultata ben più estesa e distribuita rispetto al dato sperimentale, ad eccezione della fase di risposta al carico che invece replica fedelmente la mappa sperimentale. Il medesimo problema è stato riscontrato anche nella 3T MR dove l’area sollecitata è rappresentata dagli ultimi tre metatarsi del piede a differenza del dato da gait nel quale si ha il contatto prevalentemente con l’alluce. Inoltre, le simulazioni sovrastimano i valori di pressione rispetto ai valori estratti dall’analisi del cammino. Il modello FE del piede si è rivelato poco robusto nel riprodurre con un certo grado di fedeltà il comportamento meccanico del piede in tip toe walking. Risultati migliori sono stati riscontrati effettuando dei confronti che prendono come riferimento la gait analysis in level walking (camminata quotidiana). In particolare, è stata analizzata la fase di push off del cammino, riprodotta con due modelli ottenuti da acquisizioni con CBCT in carico e 3T MR in scarico. Le mappe di pressione, generate dal modello elaborato a partire da CBCT carico, al quale è stato assegnato un vincolo di rigidità sulle ossa del piede, hanno mostrato un buon grado di convergenza rispetto al dato sperimentale, per quanto la forma superficiale. I picchi di pressione sono stati invece sovrastimati e localizzati a livello del primo metatarso, contrariamente a quanto ci aspettavamo. La simulazione del modello generato da 3T MR scarico ha generato una mappa pressoria la cui area non coinvolgeva la presenza della superficie esterna dell’alluce, come invece si realizzava nel dato sperimentale. Per lo più, il problema della sopravvalutazione del picco di pressione si verifica anche in questo caso. A fronte, il modello del piede elaborato con CBCT in carico ha simulato in maniera più fedele la fase di push off del cammino rispetto alla 3T MR in scarico. I problemi riscontrati, come ad esempio la sovrastima dei valori di pressione sperimentali, possono essere risolti in futuro introducendo nel modello FE del piede i muscoli e le loro attivazioni.