New methods for quantitative analysis of thoraco-abdominal surface shape and kinematics. An application in healthy subjects and patients with osteogenesis imperfecta

Within this thesis work, an innovative, non-invasive, and accurate method for respiratory analysis was successfully developed. Realistic 3D models of the trunk were created from optoelectronic plethysmography (OEP) acquisitions and the thoraco-abdominal surface was reconstructed with a highly reproducible approach. This method allowed to perform advanced respiratory analyses by taking into account both trunk geometry and kinematics. To properly verify the effectiveness of this new approach, a comparative analysis was conducted between healthy subjects and patients affected by Osteogenesis Imperfecta (OI), a pathology that causes mild to severe skeletal deformities. The aim of this study was to make a quantitative comparison of trunk shape and kinematics between the two groups through the analysis of the thoraco-abdominal surface at different respiratory volumes. Starting from OEP acquisitions of quiet breathing and vital capacity maneuvers, a series of 3D models of the trunk and of its compartments were created. The OEP markers constituted the vertices of the 3D surface. The models’ accuracy was improved through a smoothing procedure that was based on an interpolation of the existing vertices to increase the number of points on the surface. A series of measurements was performed in order to characterize the geometry and the kinematics of the trunk. The analysis was performed on both a global level, by considering the trunk anthropometry, and a local level, by computing the field of motion of every point constituting the thoraco-abdominal surface. The vector field associated to the breathing pattern was showed through 3D colormaps and arrow plots, in which the magnitude and the direction of motion is immediately visible and very intuitive to understand. Statistical comparisons were made between different groups of subjects in order to assess any relevant differences and to study the influence of trunk shape, gender and pathology on the ventilatory mechanics. The results showed that chest wall absolute volume and volume variations, as well as minute ventilation and overall trunk dimensions, were strongly reduced in OI patients. The angle at the sternum was significantly greater in OI subjects, forming the so-called pectus carinatum. The ventilatory impairment was more accentuated in the most severe OI forms (Type III). OI patients also presented a higher contribution of the abdomen during breathing since that was the only portion of the trunk that was not constricted by rib cage bone deformities. They used the abdomen to compensate for the impairment in the upper chest wall. OI patients were also characterized by lateral inspiratory and expiratory paradox at the rib cage level. The gender influence was less relevant than the effects of the pathology on the breathing pattern. Some differences between males and females were found mainly in healthy subjects, but they were more visible at the global level than during the vector field analysis. This study confirmed the results obtained in previous works and successfully proposed an innovative and accurate method to analyze trunk geometry and kinematics.

All'interno di questo lavoro di tesi, è stato sviluppato con successo un metodo innovativo, non invasivo e accurato per l'analisi respiratoria. Dei modelli 3D realistici del tronco sono stati creati a partire da acquisizioni di pletismografia optoelettronica (OEP) e la superficie toraco-addominale è stata ricostruita con un approccio altamente riproducibile. Questo metodo ha permesso di eseguire analisi respiratorie avanzate tenendo conto sia della geometria del tronco che della sua cinematica. Per verificare correttamente l'efficacia di questo nuovo approccio, è stata condotta un'analisi comparativa tra soggetti sani e pazienti affetti da Osteogenesi Imperfetta (OI), una patologia che causa deformità scheletriche più o meno gravi. Lo scopo di questo studio era quello di effettuare un confronto quantitativo della forma del tronco e della sua cinematica tra i due gruppi attraverso l'analisi della superficie toraco-addominale a diversi volumi respiratori. A partire dalle acquisizioni OEP di respirazione spontanea e manovre di capacità vitale, è stata creata una serie di modelli 3D del tronco e dei suoi compartimenti. I marcatori OEP costituivano i vertici della superficie 3D. La precisione dei modelli è stata migliorata attraverso una procedura di smoothing basata su un'interpolazione dei vertici esistenti per aumentare il numero di punti sulla superficie. È stata eseguita una serie di misurazioni al fine di caratterizzare la geometria e la cinematica del tronco. L'analisi è stata eseguita sia a livello globale, considerando l'antropometria del tronco, sia a livello locale, calcolando il campo di movimento di ogni punto che costituiva la superficie toraco-addominale. Il campo vettoriale associato al modello respiratorio è stato mostrato attraverso colormap 3D e arrow plot, in cui la grandezza e la direzione del movimento sono immediatamente visibili. Sono stati effettuati confronti statistici tra diversi gruppi di soggetti al fine di valutare eventuali differenze rilevanti e studiare l'influenza della forma del tronco, del genere e della patologia sulla meccanica ventilatoria. I risultati hanno mostrato che i volumi assoluti e le variazioni di volume della parete toracica, così come la ventilazione al minuto e le dimensioni complessive del tronco, erano fortemente ridotte nei pazienti con OI. L'angolo allo sterno era significativamente maggiore nei soggetti OI, formando il cosiddetto pectus carinatum. La limitazione ventilatoria era più accentuata nelle forme OI più gravi (Tipo III). I pazienti con OI presentavano anche un contributo più elevato dell'addome durante la respirazione poiché quella era l'unica porzione del tronco che non era costretta dalle deformità ossee della gabbia toracica. I soggetti OI usavano l'addome per compensare le limitazioni nella parete toracica superiore. I pazienti con OI erano anche caratterizzati da un paradosso inspiratorio ed espiratorio laterale a livello della gabbia toracica. L'influenza del genere è risultata meno rilevante degli effetti della patologia sul pattern respiratorio. Alcune differenze tra maschi e femmine sono state riscontrate principalmente nei soggetti sani, ma erano più visibili a livello globale che durante l'analisi del campo vettoriale. Questo studio ha confermato i risultati ottenuti in lavori precedenti e ha proposto con successo un metodo innovativo e accurato per analizzare la geometria e la cinematica del tronco.