Strumenti di geometria computazionale per la valutazione di metodi di presa misura in pazienti amputati di arto inferiore

The project described in this thesis took place at the INAIL Prosthesis Center (Vigorso di Budrio, BO). The work was carried out in support of a research project, funded by the US Department of Defense, in collaboration with Northwestern University in Chicago and the Minneapolis Veteran Affairs Health Care System. The aim of the research is to determine the comparative effectiveness of alternative methods of alternative socket casting methods of lower limb amputee and the subsequent custom-made socket. The thesis project arises from the absence of commercial software able to analyze how the shape of the stump evolves, from the cast to the finished socket, based on the three-dimensional digitization of the surfaces. In this regard, a library implemented in Python has been created which uses algorithms and computational geometry tools in order to support data processing processes. The implemented functionalities will also help understanding the errors inherent in the production of tailored orthopedic devices, including the propagation of error during the process chain. The workflow develops in the following stages: • Acquisition and pre-processing of data; • Digital identification of landmark; • Alignment of models to orient them in a global reference system according to a common logic; • Recording two models to align them with each other; • Generation of outcomes and dimensional parameters, including distance maps, cross-sections, geodesic paths and regions of interest; • Extraction of summary statistical indicators of differences related to a series of scans using PCA. The features were validated through special tests on clinical data collected by the study or synthetic data with characteristics known a priori. The library provides a set of interfaces that allows access to non-expert users and is characterized by modularity, ease of installation and extensibility of features. Future developments include the identification of possible optimizations identified by the use of tools extended to several use cases.

Il progetto descritto in questo elaborato di tesi è stato svolto presso Il Centro Protesi INAIL (Vigorso di Budrio, BO). Il lavoro è stato realizzato a supporto di un progetto di ricerca, finanziato dal Dipartimento della Difesa USA, in collaborazione con la Northwestern University di Chicago e il Minneapolis Veteran Affairs Health Care System. La ricerca ha lo scopo di determinare l’efficacia comparativa di metodi alternativi per realizzare il calco del moncone dell’amputato di arto inferiore e la successiva invasatura su misura. Il progetto di tesi nasce dall’assenza di un software commerciale in grado di analizzare come evolve la forma del moncone, dal calco all'invasatura finita, basandosi sulla digitalizzazione tridimensionale delle superfici. La libreria sviluppata è implementata in Python e utilizza algoritmi e strumenti di geometria computazionale al fine di supportare i processi di elaborazione dati. Le funzionalità implementate saranno di ausilio per poter comprendere gli errori insiti nella produzione dei dispositivi ortopedici su misura, compresa la propagazione dell'errore durante la catena di processo. Il flusso di lavoro si sviluppa nelle seguenti fasi: • Acquisizione e pre-processing del dato; • Identificazione digitale dei punti di repere; • Allineamento dei modelli per orientarli in un sistema di riferimento globale secondo una logica comune; • Registrazione di due modelli per allinearli l’uno all’altro; • Generazione di outcome e parametri dimensionali, inclusi mappe distanza, sezioni, cammini geodetici e regioni di interesse; • Estrazione di indicatori statistici riassuntivi delle differenze, correlate ad un insieme di scansioni tramite la PCA. Le funzionalità sono state validate tramite appositi test su dati clinici rilevati dallo studio o dati sintetici con caratteristiche note a priori. La libreria fornisce un insieme di interfacce che permette l’accesso anche a utenti non esperti ed è caratterizzata da modularità, semplicità di installazione ed estensibilità delle funzionalità. Tra gli sviluppi futuri si prevede l’identificazione di possibili ottimizzazioni individuate da un utilizzo degli strumenti esteso a più casi d’uso.