Development of a gait analysis driven finite element model of the diabetic foot

Il diabete mellito è una malattia cronica sempre più frequente. Fra le complicanze ad esso associate vi è il cosiddetto “piede diabetico”. L’incidenza del diabete a livello mondiale è destinata a raddoppiare entro il 2030 passando dal 2.8% al 4.4% della popolazione ed il numero di pazienti affetti da diabete mellito che sviluppano ulcera podalica oscilla tra l’1.3% ed il 4.8%. Numerosi studi hanno evidenziato come i fattori biomeccanici giochino un ruolo fondamentale nell’eziologia, nel trattamento e nella prevenzione delle ulcere del piede diabetico. La letteratura recente sul piede diabetico indica che le sollecitazioni meccaniche, ossia le elevate pressioni plantari e/o gli elevati sforzi tangenziali, che agiscono all’interno dei tessuti molli del piede possono contribuire alla formazione di ulcere. È quindi importante studiare le interazioni piede-suolo durante il cammino nei pazienti diabetici, ma si rendono anche necessari dei modelli per la simulazione di sollecitazioni e deformazioni nel tessuto plantare del piede diabetico che permettano di predire le aree ad alto rischio di ulcerazione o di valutare l’efficacia di ortesi plantari nel ridistribuire in modo ottimale le pressioni plantari. I modelli agli elementi finiti consentono di tenere conto degli aspetti critici del piede diabetico, vale a dire il movimento, la morfologia, le proprietà dei tessuti e le sollecitazioni meccaniche. Di recente sono stati sviluppati diversi modelli bidimensionali (2D) e tridimensionali (3D) del piede con lo scopo di studiare il comportamento biomeccanico di piede e caviglia. Tuttavia, per quanto appurato dall’autore, in letteratura non è stato riportato un modello 3D agli elementi finiti del piede diabetico neuropatico con geometria dettagliata e specifica di un soggetto. Inoltre, i modelli 2D e 3D agli elementi finiti del piede presenti in letteratura sono stati raramente combinati con i dati del cammino specifici dei soggetti, sia in termini di forze di reazione al suolo e cinematica (come parametri di input) che in termini di pressioni plantari per la validazione. L’obiettivo dello studio qui presentato è stato quello di simulare il comportamento biomeccanico sia del piede di un soggetto sano che del piede di un soggetto diabetico neuropatico per prevedere l'area della superficie plantare caratterizzata da eccessive sollecitazioni. A tal scopo, sono stati sviluppati due modelli agli elementi finiti di piede e caviglia, utilizzando le geometrie specifiche dei piedi dei due soggetti (uno sano ed uno diabetico neuropatico) ottenute attraverso immagini di risonanza magnetica (MRI). Quindi sono state effettuate delle simulazioni mediante l'applicazione di carichi e di condizioni al contorno, ottenuti da dati di cinematica e cinetica, integrati e sincronizzati, acquisiti durante il cammino, specifici dei due soggetti sui rispettivi modelli agli elementi finiti. Pertanto in questa tesi sono stati descritti un protocollo integrato di cinematica-cinetica per l'analisi del cammino che permette di valutare la cinematica e la cinetica 3D dei sottosegmenti del piede e due modelli completi agli elementi finiti di un piede sano e di un piede diabetico neuropatico. Per stabilire la fattibilità di tale approccio, sono stati inizialmente sviluppati due modelli 2D agli elementi finiti del retropiede di un soggetto sano e di un soggetto diabetico neuropatico, tenendo conto della geometria ossea e del cuscinetto plantare, delle proprietà dei materiali dei tessuti molli, della cinematica e della cinetica. Questi ultimi sono stati acquisiti durante tre istanti della fase di appoggio del ciclo del passo. Una volta dimostrato il vantaggio di un simile approccio nello sviluppo di modelli 2D agli elementi finiti del piede, sono stati sviluppati i modelli 3D agli elementi finiti del piede intero degli stessi soggetti e sono state eseguite le simulazioni in vari istanti della fase di appoggio. La validazione delle simulazioni è stata effettuata attraverso il confronto tra le pressioni plantari simulate e quelle acquisite sperimentalmente durante il cammino degli stessi soggetti, nei corrispondenti istanti della fase di appoggio. Un secondo scopo dello studio qui presentato è stato quello di effettuare simulazioni del modello del piede del soggetto sano e di quello del soggetto neuropatico con dati di analisi del cammino rispettivamente di 10 soggetti sani e 10 diabetici neuropatici, al fine di verificare la possibilità di estendere i risultati dei modelli specifici dei due soggetti ad una popolazione più ampia. La validità di questo approccio è stata valutata tramite il confronto tra le pressioni plantari simulate e quelle sperimentali specifiche di ogni soggetto, acquisite durante il cammino. Inoltre gli errori delle simulazioni eseguite con i dati dei 20 soggetti sono stati confrontati con gli errori effettuati quando le simulazioni dei modelli avevano previsto l’utilizzo di dati di cammino specifici dei due soggetti la cui geometria podalica era stata ottenuta da MRI