< Terug naar vorige pagina

Project

Estimatie en predictie van voetkinematica op basis van plantaire drukmetingen en musculoskeletaal modelleren - toepassing voor 3D geprinte steunzolen

In Europa lijden meer dan 200 miljoen mensen aan voet en enkel klachten die veroorzaakt zijn door verschillende pathologieën zoals overbelasting, degeneratieve gewrichtsaandoeningen en systemische ziektes (bv. diabetes). Voetortheses of steunzolen zijn een populaire conservatieve behandeling om pijn te verminderen en verdere ontwikkeling van de pathologie tegen te gaan met als doel de patiënt zijn voetfunctie terug te optimaliseren. Hiermee worden de symptomen van de pathologie onderdrukt of zelfs uitgesteld (zoals het voorkomen van voetzweren bij diabetes patiënten door het herorganiseren van de drukverdeling). In de huidige praktijk wordt het ontwerp van de zool en de productie hiervan afgesteld op de subjectieve beslissing van de clinicus. Daarnaast worden deze ook met de hand gemaakt, wat een tijdrovende activiteit is. Het ontwerp van de zolen is voornamelijk gebaseerd op de vorm van de voet, die wordt opgemeten met traditionele methodes zoals een gipsafgietsel.

De ontwikkeling van 3D-geprinte zolen laat toe om subject specifieke informatie efficiënt op te nemen in het productieproces en zorgt voor een verminderde productietijd. Bovendien kunnen de mechanische eigenschappen van de zool lokaal aangepast worden zodat de zool de voet optimaal kan begeleiden tijdens een beweging. Daarom is het cruciaal om het biomechanische effect van de zool op de voet te begrijpen. Het globale doel van deze thesis is de ontwikkeling van een stappenplan dat kan gebruikt worden om volledig objectief en automatisch een analyse van voet biomechanica om te zetten in de productie van subject-specifieke zolen.

 Computer gebaseerde musculoskeletale modellen laten toe om een causale relatie te beschrijven tussen input parameters (kinetica) en de respons van het model (kinematica) indien er een gekende geometrische structuur bestaat. In de literatuur zijn slechts een beperkt aantal gedetailleerde musculoskeletale modellen van de voet beschreven die gebruikt werden in dynamische simulaties. Dit maakt het moeilijk om resultaten uit voorgaande studies te reproduceren of om de gebruikte modellen over te nemen in andere studies. In deze thesis worden twee gedetailleerde 3D voet-enkel modellen gecreëerd in OpenSim aan de hand van een semiautomatische methode gebaseerd op CT beelden. De voorgestelde modellen bestaan uit vijf rigide segmenten (talus, calcaneus, middenvoet, voorvoet en tenen) die verbonden zijn via vijf gewrichten (enkel, subtalaire, chopart, tarsometatarsaal en metatarsophalangeaal gewricht). Eén van de modellen heeft 15 vrijheidsgraden en het andere heeft 8 vrijheidsgraden. De kinematica werd berekend met beide modellen en vergeleken met een marker-gebaseerde ganganalyse en met de literatuur. Beide modellen toonden realistische resultaten. Bovendien vertoonde de inverse analyse uitgevoerd met het model met 8 vrijheidsgraden ook overeenkomstige resultaten met de literatuur.

Het model met 8 vrijheidsgraden werd hierna gebuikt voor een in-vivo ganganalyse van proefpersonen met platvoeten en gezonde controlesubjecten tijdens het dragen van verschillend schoeisel. De verschillen in kinematica en kinetica werden bestudeerd tussen de twee groepen voor blootvoets wandelen en wandelen met schoenen. Daarnaast werd de invloed van subject-specifieke 3D geprinte zolen en subject-specifieke Ethyleen-Vinyl-Acetaat (EVA) zolen op de kinematica en kinetica van proefpersonen met platvoeten bestudeerd. De proefpersonen met platvoeten vertoonden een gestegen voorvoet dorsiflexie en abductie tijdens het blootvoets wandelen. Zowel de EVA zool als de 3D geprinte zool verbeterden de verstoorde kinematica gerelateerd aan platvoeten tijdens het wandelen met een minimalistische schoen: de hoogte van de voetboog nam toe, zoals weerspiegeld in de gedaalde voorvoet dorsiflexie en abductie. Beide zolen gaven eenzelfde correctie, waardoor bevestigd wordt dat 3D geprinte zolen kunnen gebruikt worden door personen met platvoeten voor de correctie van de kinematica en kinetica tijdens het gaan.

In de klinische praktijk worden voet en enkel pathologieën vaak geëvalueerd aan de hand van plantaire druk opgemeten door drukplaten. Dit systeem laat toe om te bestuderen hoe het weefsel lokaal (over)belast wordt, maar op dit moment kan het nog niet gebruikt worden voor het evalueren van de voet-enkel kinematica. In deze thesis presenteren we een kleinste kwadratenmethode optimalisatie algoritme dat het verschil tussen gesimuleerde en opgemeten plantaire druk gaat minimaliseren aan de hand van verschillende marker-sets data. Zowel de positie van de markers als de plantaire druk worden gesimuleerd in OpenSim met het voorafgaand beschreven voet-enkel model met 8 vrijheidsgraden. Dit model is gekoppeld met een elastisch contact model gebaseerd op een ellipsoïde. We konden concluderen dat een minimum van vier markers in combinatie met plantaire druk is nodig om kinematica te berekenen die in nauwkeurigheid overeenkomstig is met een volledig maker-gebaseerde oplossing. De mogelijkheid om de kinematica van de volledige voet te voorspellen aan de hand van een vereenvoudigde opstelling met een beperkt aantal reflectieve markers in combinatie met een meetsysteem voor plantaire druk kan een significante invloed hebben op tijd en economische aspecten voor onderzoeks- en klinische toepassingen. Het zal toelaten om een eenvoudigere en objectieve klinische evaluatie van voet pathologieën uit te voeren.

Met de introductie van 3D geprinte zolen is er de mogelijkheid om zolen met subject specifieke mechanische eigenschappen te ontwikkelen op een tijds-efficiënte manier, maar onze kennis van hoe deze mechanische eigenschappen het dynamische gedrag van de voetbeweging beïnvloeden is nog beperkt. Daarom werd een werkkader ontwikkeld voor koppel gedragen voorwaartse simulaties om de invloed van verschillende eigenschappen van de zolen op de kinematica van de voet te bestuderen. In deze thesis hebben we de invloed van de stijfheid van de zool op de voetkinematica tijdens het wandelen geëvalueerd. De voorwaartse simulaties werden opnieuw uitgevoerd met het model met 8 vrijheidsgraden gekoppeld met het elastische contact model. De zolen werden gemodelleerd als ‘bushing forces’ die de calcaneus met de voorvoet verbinden. Een gestegen stijfheid in de buigrichting (meestal onafhankelijk van een torsionele stijfheid) leidde tot kinematische veranderingen dat mogelijks de voet in de longitudinale richting kan verbeteren door de voervoet adductie te doen toenemen.

Deze thesis toont dat gedetailleerde modellen de mogelijkheid hebben om kinematica op te meten in een klinische omgeving en om het ontwerp van zolen te verbeteren. Deze vooruitgang kan leiden tot een verbetering van de behandeling van orthopedische patiënten door zowel het proces van de evaluatie als de voorschrijving van de behandeling te verbeteren.

Datum:12 jan 2015 →  3 mei 2019
Trefwoorden:Multibody, 3D-printing, Kinematics, Kinetics, Forward simulations, Predictive simulations, Insoles, Plantar pressure, Foot musculoskeletal model, Flat feet
Disciplines:Biomechanica, Orthopedie, Heelkunde, Biologische systeemtechnologie, Biomechanische ingenieurswetenschappen, Medische biotechnologie, Andere (bio)medische ingenieurswetenschappen
Project type:PhD project