COMBINING MUSCULOSKELETAL MODELING AND FEM IN DIABETIC FOOT PREVENTION

Recentemente lo sviluppo di modelli specifici di un paziente (PSM), cioè creati a partire dai suoi dati, ha guadagnato sempre più attenzione per le possibili applicazioni cliniche. Questi modelli potrebbero, infatti, rappresentare una soluzione alla crescente consapevolezza che la medicina deve essere personalizzata al fine di ottenere un trattamento riabilitativo più efficace e disegnato ad hoc sulle capacità soggetto. Gli PSM hanno il potenziale di migliorare la diagnosi e di ottimizzare la terapia riabilitativa, data la loro capacità di prevedere e di confrontare i risultati di diversi approcci d’intervento. Inoltre essi sono in grado di fornire informazioni che non possono essere direttamente misurate, quali forze muscolari o tensioni interne alle ossa. Data la notevole quantità di malattie che causano deficit motori, gli PSM sono stati ampiamente affrontati in letteratura. Le due tecniche per lo più utilizzate in questo settore sono la modellazione muscoloscheletrica (MS) e la modellazione agli elementi finiti (FE). I modelli MS rappresentano uno strumento prezioso, poiché possono fornire importanti informazioni sulle caratteristiche anatomiche e funzionali dei diversi soggetti, attraverso il calcolo di variabili interne come attivazioni muscolari e forze di contatto alle articolazioni. La flessibilità e l'adattabilità dell'analisi FE la rende una soluzione ideale per modellare geometrie e materiali biologici e per simulare condizioni al contorno e di carico complicate. Modelli FE (FEM) precisi e descrittivi potrebbero dimostrarsi un ottimo strumento per la ricerca scientifica e medica. Inoltre, potrebbero essere utilizzati in ambito clinico se combinati con l'imaging medico, al fine di migliorare la cura del paziente. Diversi FEM a 3 dimensioni (3D) del piede sono stati recentemente sviluppati per analizzare il comportamento biomeccanico del complesso piede-caviglia che è comunemente studiato con tecniche sperimentali come la stereofotogrammetria, le piattaforme di forza e di pressione. In questo contesto, sono stati proposti molti protocolli per l'analisi del cammino al fine di valutare la cinematica, la cinetica e la distribuzione della pressione plantare in 3D. Questa valutazione si è dimostrata utile per caratterizzare la biomeccanica del piede in diverse patologie come il piede diabetico. Il piede diabetico è una complicanza invalidante del diabete mellito, una malattia cronica sempre più frequente nella popolazione anziana. Esso è caratterizzato dallo sviluppo di ulcere che possono portare all'amputazione. Modelli per la simulazione di deformazioni e sollecitazioni nel tessuto plantare diabetico devono essere in grado di prevedere quali sono le zone ad alto rischio per la formazione di ulcere sulla superficie plantare e possono essere usati per studiare le prestazioni di diverse solette nell'alleviare la pressione. Questo lavoro rappresenta un primo sforzo verso lo sviluppo di uno PSM più completo che combinando un modello MS a un FEM, può aumentare la comprensione della patologia del piede diabetico. Per raggiungere quest’obiettivo, numerose limitazioni e problematiche sono state analizzate e risolte. Innanzitutto, modelli MS di soggetti sani e diabetici sono stati sviluppati usando OpenSim al fine di stimare le forze muscolari. L'obiettivo era di valutare se la popolazione malata presenta deficit di forza muscolare negli arti inferiori rispetto a quella sana. I soggetti sono stati sottoposti a un'analisi del cammino e la cinematica e la cinetica degli arti inferiori sono state stimate per mezzo di una versione modificata del protocollo IORgait. La cinematica e la cinetica 3D delle articolazioni degli arti inferiori sono state calcolate anche con OpenSim. Entrambe le metodologie sono state in grado di evidenziare alcune differenze di cinematica e cinetica articolare tra le due popolazioni. I modelli MS hanno inoltre evidenziato differenze nelle forze muscolari dei soggetti sani rispetto a quelli diabetici. Questa conoscenza può aiutare nella pianificazione di terapie riabilitative specifiche per i pazienti diabetici al fine di migliorare la velocità, l'equilibrio, la forza muscolare, l’andatura e la mobilità articolare. Dopo aver dimostrato l'applicabilità dei modelli MS nella popolazione diabetica, il passo successivo è stato quello di combinarli con FEM del piede. Ciò è stato fatto in due fasi. In un primo momento l'impatto dell'applicazione delle forze di reazione dell'articolazione del piede, ottenute dai modelli MS, come condizione al contorno per modelli FE del piede è stata verificata. Le geometrie specifiche del soggetto, ricavate da MRI, sono state utilizzate per lo sviluppo dei FEM del piede mentre le pressioni plantari sperimentalmente acquisite durante la deambulazione sono state utilizzate nel processo di validazione. Un miglior accordo tra pressione misurata sperimentalmente e pressione simulata è stato ottenuto utilizzando, come condizioni al contorno, le forze di reazione alla caviglia rispetto alle forze di reazione del suolo sperimentalmente simulate. Dopodiché l'uso di forze muscolari come condizione al contorno nelle simulazioni FE è stata valutata. Dati di cinematica e cinetica acquisiti in sincrono durante l'analisi del cammino sono stati utilizzati per lo sviluppo di modelli MS e per il calcolo delle forze muscolari. Le inserzioni muscolari sono state poi trovate nelle immagini di risonanza magnetica e i connettori corrispondenti sono stati creati nel FEM. Le simulazioni FE specifiche del soggetto sono state in seguito eseguite con il software Abaqus conducendo un'analisi quasi statica su quattro fasi del ciclo del passo e adottando due condizioni di carico: una che comprendeva le forze muscolari e una senza. Ancora una volta la validazione delle simulazioni FE è stata fatta per mezzo di un confronto tra le pressioni plantari simulate e misurate sperimentalmente. I risultati hanno mostrato un miglioramento marcato nella stima del picco di pressione nel modello che includeva i muscoli. Infine è stato fatto un tentativo per la definizione di un modello agli elementi finiti del piede parametrico. Infatti, nonostante i recenti sviluppi, gli PSM non sono ancora stati applicati con successo in un ambiente clinico. Una delle possibili spiegazioni è il tempo necessario per la creazione della mesh, operazione che è di difficile automatizzazione. Lo sviluppo di modelli parametrici mediante l'analisi in componenti principali (PCA) può rappresentare una soluzione accattivante. In questo studio la PCA è stata applicata alla geometria dei piedi di una piccola coorte di soggetti diabetici e sani per valutare la possibilità di sviluppare modelli parametrici del piede e di utilizzarli per identificare varianti e analogie tra le due popolazioni. Anche i limiti imposti dall'uso di modelli sono stati analizzati. La loro adozione è, infatti, limitata dalla mancanza di standard di verifica e validazione. Anche utilizzando l'MRI per lo sviluppo di un FEM, e dati sperimentali di analisi del movimento per le condizioni al contorno e di carico, la specificità del soggetto non è mai perfettamente raggiunta ad esempio per quanto riguarda le proprietà dei materiali. Inoltre bisognerebbe considerare che tutto si appoggia su algoritmi e modelli che non saranno mai in grado di rappresentare perfettamente la realtà. Nel complesso, il lavoro presentato in questa tesi rappresenta una valutazione estesa dei possibili usi di tecniche di modellazione nella prevenzione del piede diabetico, considerando tutte le limitazioni introdotte e i potenziali vantaggi del loro utilizzo in un contesto clinico. La ricerca si articola in sei capitoli: Capitolo 1 - fornisce uno sguardo generale sulle tecniche di modellazione, sia modellazione agli elementi finiti sia modellazione muscoloscheletrica. Inoltre descrive l'analisi del cammino, la strumentazione richiesta e i protocolli sviluppati per l'analisi degli arti inferiori. Capitolo 2 - fornisce una panoramica dettagliata della biomeccanica del piede concentrandosi in particolare sul diabete e il piede diabetico; Capitolo 3 - introduce l'applicazione dei modelli MS per la prevenzione del piede diabetico dopo una breve introduzione sulle tecniche più comuni utilizzate nella valutazione dei deficit motori causati dalla malattia. Obiettivi, materiali e metodi, risultati e discussione finale sono presentati. Il flusso di lavoro completo è descritto, e il capitolo si finisce con una discussione sulle nuove scoperte e sulle limitazioni. Capitolo 4 - riporta il lavoro fatto per combinare l'uso di modelli muscoloscheletrici con FEM del piede. In un primo momento è verificato l'impatto dell'applicazione delle forze di contatto all'articolazione del piede, ottenute dai modelli MS, come condizione al contorno nei FEM del piede. Di seguito è valutato l'uso delle forze muscolari (ancora una volta ottenute dai modelli MS) come condizione al contorno nelle simulazioni FE. Per entrambi gli studi è presentata una breve introduzione insieme ai metodi applicati, ai risultati ottenuti e a una discussione sulle novità introdotte e sui limiti. Capitolo 5 - esplora la possibilità di definire un FEM del piede parametrico applicando l' analisi delle componenti principali (PCA) ai piedi di una piccola coorte di soggetti diabetici e sani. Una panoramica sull'importanza di modelli specifici dei pazienti è presentata seguita da materiali e metodi, risultati e discussione di ciò che è stato ottenuto con questo studio. Capitolo 6 - riassume i risultati e la novità della tesi, delineando le conclusioni e i percorsi di ricerca futuri.