Sviluppo di modelli personalizzati FEM del piede partendo da acquisizioni di medical imaging da CONE BEAM CT e da MRI 1.5T e 3T durante il cammino: valutazione di fattibilità e confronto tra diverse tecniche di imaging

The skeletal structure of the foot-ankle complex is, anatomically and biomechanically, highly complex. The study of the biomechanics of the foot is important for the design of insoles and footwear, to study loading conditions, movements, and plantar pressures during walking, to analyze posture, to assess internal deformities and stresses otherwise inaccessible in vivo, and is also important for rehabilitation thus treating and evaluating dysfunctionality and injuries of the lower limb. It turns out therefore, to be useful to create predictive and representative models of what happens during walking. The most suitable models are those for finite element analysis because they tend to predict deformations and internal stresses by simulating the mechanical behavior of the foot. This study aims to develop customized finite element models of the foot, with reference to a model in the literature and already validated (Guiotto, et al., 2014), starting from medical imaging acquisitions from MRI in unloading and CONE BEAM CT, an innovative system, evaluating its feasibility and comparing different imaging techniques. Modern systems, compared with traditional diagnostics, allow accurate measurements with the advantage of observing in 3D and especially in physiological load. The purpose of the study is to assess whether innovative imaging techniques succeed in allowing the generation of finite element models that better simulate plantar pressures and thus internal stresses, and to evaluate the reconstructive goodness of fit by comparing imaging results. Initially, the volunteer subject underwent MRI 1.5, MRI 3.0T, CBCT acquisitions in loading (standing position), CBCT in unloading (supine position), and the acquired images were segmented with Synopsys Simpleware Scan IP software where 3D models of bone, cartilage, and soft tissue were obtained. In parallel, the subject underwent a gait analysis from which data of kinematic and kinetic variables were extracted that were useful as boundary conditions for the simulations and their validation. Once all the elements were acquired, in Abaqus, the finite element model was created , 16 simulations were performed for each imaging step. The simulation results were compared with the experimental data, and it turned out that the model is close to the experimental data because there is an overlap between the maps. On the other hand, in terms of reconstructive goodness, good matching was obtained with the same type of imaging and obvious discrepancies, thus penetration/separation, with different type of imaging. In conclusion, as future developments one could think of using muscle forces to improve the model, generate a mesh with different parameters for cartilage to avoid contact points between anatomical districts, and process the push off phase starting from a dynamic rather than static position.

La struttura scheletrica del complesso piede-caviglia è, a livello anatomico e biomeccanico, altamente complessa. Lo studio della biomeccanica del piede è importante per la progettazione di solette e calzature, per studiare le condizioni di carico, i movimenti e le pressioni plantari durante la deambulazione, per analizzare la postura, per valutare deformazioni e stress interni altrimenti inaccessibili in vivo ed è importante anche per la riabilitazione quindi trattare e valutare la disfunzionalità e le lesioni dell’arto inferiore. Risulta quindi, utile creare dei modelli predittivi e rappresentativi di ciò che accade durante il cammino. I modelli più adatti sono quelli per l’analisi agli elementi finiti perché essi tendono a predire le deformazioni e gli stress interni attraverso la simulazione del comportamento meccanico del piede. Questo studio mira a sviluppare modelli agli elementi finiti del piede personalizzati, con riferimento ad un modello presente in letteratura e già validato (Guiotto, et al., 2014), partendo da acquisizioni di medical imaging da MRI in scarico e da CONE BEAM CT, un sistema innovativo, valutandone la fattibilità e confrontando le diverse tecniche di imaging. I sistemi moderni, rispetto alle diagnostiche tradizionali, consentono misurazioni accurate con il vantaggio di osservare in 3D e soprattutto in carico fisiologico. Lo scopo dello studio è quello di valutare se le tecniche innovative di imaging riescano a permettere di generare modelli agli elementi finiti che simulino meglio le pressioni plantari e dunque gli stress interni e di valutare la bontà ricostruttiva confrontando tra loro i risultati degli imaging. Inizialmente il soggetto volontario è stato sottoposto a delle acquisizioni di MRI 1.5, MRI 3.0T, CBCT in carico (posizione eretta), CBCT in scarico (posizione supina) e le immagini acquisite sono state segmentate con il software Synopsys Simpleware Scan IP dove sono stati ottenuti i modelli 3D di ossa, cartilagine e tessuti molli. Parallelamente, il soggetto ha svolto una gait analysis da cui sono stati estratti i dati delle variabili cinematiche e cinetiche utili come condizioni al contorno per le simulazioni e per la validazione delle stesse. Una volta acquisiti tutti gli elementi, in Abaqus, è stato creato il modello ad elementi finiti , sono state eseguite 16 simulazioni per ogni fase del passo di ogni imaging. I risultati della simulazione sono stati confrontati con il dato sperimentale ed è risultato che il modello si avvicina al dato sperimentale perché c’è una sovrapposizione tra le mappe. Per quanto riguarda invece la bontà ricostruttiva si è ottenuto un buon matching con la stessa tipologia di imaging e discrepanze evidenti, quindi penetrazione/separazione, con diversa tipologia di imaging. In conclusione, come sviluppi futuri si potrebbe pensare ad utilizzare le forze muscolari per migliorare il modello, generare una mesh con parametri diversi per la cartilagine per evitare i punti di contatto tra i distretti anatomici ed elaborare la fase di push off partendo da una posizione dinamica piuttosto che statica.