Comparative Analysis of FEM Models with Homogeneous and Structured Bone in the Foot-Ankle Complex for the Study of Stress Fractures in the First Metatarsal

Metatarsal stress fractures in the foot or ankle account for 20% of injuries in athletes, including runners, dancers, and military recruits. Mechanical load and bending forces experienced during walking play a crucial role in the etiology of these fractures, emphasizing the need for an analytical approach that simulates running motion with a particular focus on the metatarsal bones and their tissue composition. Diagnosis of these fractures typically involves medical imaging tools such as X- rays or magnetic resonance imaging (MRI), but these methods provide direct images of the bone structures post-injury. To anticipate anamnesis, representative three-dimensional models of the anatomical section of the foot have been created. However, most of these models in the literature do not take trabecular geometry into account, treating bone as a solid, non-porous structure. This study introduces a subject-specific Finite Element Method (FE) model incorporating trabecular geometry to predict the distribution of stress and bone deformations during running. Utilizing computed tomography (CT) images from a patient, the anatomical structure of the first metatarsal bone was reconstructed in three dimensions. The model validation process was conceived through a dual strategy. Initially, a visual approach was adopted, graphically comparing the stresses between the layered model and the homogeneous model, the latter being recognised as the reference model in the literature. Subsequently, a detailed numerical analysis was carried out, comparing the average stresses and deformations of the two models. This combined methodology made it possible to obtain a complete and in-depth assessment of the model's performance with respect to both visual and quantitative comparisons. Visual inspection revealed notable differences in results, both in terms of intensity and distribution of simulated stresses, highlighting superior performance of the stratified model in accordance with biomechanical knowledge. Numerical validation indicated that, at a macroscopic level, the biomechanical response of the foot is similar in both models, suggesting that trabecular tissue does not significantly influence the distribution of ground reaction forces. However, average stresses exhibited significant differences. The Stress Ratio values obtained, Rcort and Rtrab, 2.44 and 0.17 respectively, indicate an underestimation in the cortical region and an overestimation in the trabecular region of the homogeneous model compared to the stratified one. Average deformations of the porous model more prominently accentuate the mechanical behaviour of tissues, demonstrating greater alteration in the porous tissue compared to the dense tissue. In conclusion, the stratified model emerges as a promising numerical analysis tool for evaluating bone biomechanics, offering an innovative perspective in the medical field. By integrating in-depth anatomical knowledge, it enhances the accuracy and precision of simulations, reducing underestimations of biomechanical impacts and contributing to more effective injury prevention.

Le fratture da stress metatarsale nel piede o nella caviglia rappresentano il 20% delle lesioni negli atleti, tra cui corridori, ballerini e reclute militari. Il carico meccanico e le forze di flessione sperimentate durante la camminata giocano un ruolo cruciale nell'eziologia di queste fratture, sottolineando la necessità di un approccio analitico che simuli il movimento della corsa con particolare attenzione alle ossa metatarsali e alla loro composizione tessutale. La diagnosi di queste fratture coinvolge tipicamente strumenti di imaging medico come i raggi X o la risonanza magnetica (MRI), ma questi metodi forniscono immagini dirette delle strutture ossee post-infortunio. Per anticipare l'anamnesi, sono stati creati modelli tridimensionali rappresentativi della sezione anatomica del piede. Tuttavia, la maggior parte di questi modelli nella letteratura non tiene conto della geometria trabecolare, trattando l'osso come una struttura solida e non porosa. Questo studio introduce un modello ad Elementi Finiti (FE) specifico per il soggetto che incorpora la geometria trabecolare per prevedere la distribuzione dello stress e le deformazioni ossee durante la corsa. Utilizzando immagini tomografiche computerizzate (CT) di un paziente, la struttura anatomica del primo osso metatarsale è stata ricostruita in tre dimensioni. Il processo di convalida del modello è stato concepito attraverso una doppia strategia. Inizialmente è stato adottato un approccio visivo, confrontando graficamente gli stress tra il modello stratificato e il modello omogeneo, quest'ultimo riconosciuto come modello di riferimento nella letteratura. Successivamente è stata effettuata un'analisi numerica dettagliata, confrontando gli stress e le deformazioni medie dei due modelli. Questa metodologia combinata ha permesso di ottenere una valutazione completa e approfondita delle prestazioni del modello sia in termini di confronti visivi che quantitativi. L'ispezione visiva ha rivelato notevoli differenze nei risultati, sia in termini di intensità che di distribuzione degli stress simulati, evidenziando una prestazione superiore del modello stratificato in conformità con le conoscenze biomeccaniche. La convalida numerica ha indicato che, a livello macroscopico, la risposta biomeccanica del piede è simile in entrambi i modelli, suggerendo che il tessuto trabecolare non influenzi significativamente la distribuzione delle forze di reazione al suolo. Tuttavia, gli stress medi hanno mostrato differenze significative. I valori del Rapporto di Stress ottenuti, Rcort e Rtrab, 2.44 e 0.17 rispettivamente, indicano una sottostima nella regione corticale e una sovrastima nella regione trabecolare del modello omogeneo rispetto a quello stratificato. Le deformazioni medie del modello poroso accentuano più prominentemente il comportamento meccanico dei tessuti, dimostrando una maggiore alterazione nel tessuto poroso rispetto a quello denso. In conclusione, il modello stratificato emerge come uno strumento promettente per l'analisi numerica della biomeccanica ossea, offrendo una prospettiva innovativa nel campo medico. Integrando conoscenze anatomiche approfondite, migliora l'accuratezza e la precisione delle simulazioni, riducendo le sottostime degli impatti biomeccanici e contribuendo a una prevenzione degli infortuni più efficace.