Foot positioning parameters derived from weight bearing CT scans : comparison of two segmentation methods and correlation with baropodometric measures

Diabetic foot syndrome is one of the most common complications in diabetes, that alters the structure of the foot skeleton and consequently its biomechanics. Weight Bearing Cone Beam Tomography (WBCT) is a type of Cone Beam Computed Tomography that allows to obtain three dimensional images of the bones’ structure in an upright posture, thus making it possible to have information about the natural loads acting on the joints. Foot scans of 16 patients were obtained at the Rizzoli Orthopaedic Institute and then segmented with two software, Amira (semi-automatic) and Disior (fully automatic). The 3D models of the feet were then imported in Matlab, where absolute inclinations and relative orientations of the metatarsals and the proximal phalanxes were calculated. For this purpose, principal component analysis (PCA) was performed. The foot models were then integrated with pressure maps obtained through baropodometric analysis performed at the Rizzoli Orthopaedic Institute and the correlations between 3D measurements and anthropometric (age, BMI), clinical (years of disease, vibration perception treshold) and loading (pressure loads) variables were analysed. The first aim of the study was to verify the reliability of the Disior software by comparing the correlations found with this software and the ones with the Amira software, performing distance map analysis (DMA) too. The results showed that Disior acts well for bigger bones, such as the metatarsals, where differences between the two software were not relevant, whereas for small bones like the phalanxes the differences between the two models were more accentuated. The conclusion to that is that Disior is not able to retain details because it tends to have a smoothing action. Lastly, the statistical sample of segmented feet was doubled by using the contralateral foot of each patient and segmented using Disior. The correlations found were more than doubled for most of the cases. However, they refer to Disior based measurements which were found to be not precise for the phalanxes. Thus, the results obtained could be misrepresentative of the relation between angular measurements and pressure loads. Part of the object of the present thesis was submitted and accepted to the IX World Congress of Biomechanics.

La sindrome del piede diabetico è una delle complicazioni più comuni del diabete, che altera la strutta ossea del piede e di conseguenza la sua biomeccanica. Weight Bearing Cone Beam Tomography (WBCT) si basa sulla Cone Beam Computed Tomography e permette di ottenere immagini tridimensionali della struttura ossea in posizione eretta, ottenendo in questo modo informazioni sui carichi naturali che agiscono sulle articolazioni. Scansioni dei piedi di 16 pazienti sono state ottenute all’Istituto Ortopedico Rizzoli e poi segmentate attraverso due software: Amira (semi-automatico) e Disior (automatico). I modelli 3D dei piedi sono stati poi importati in Matlab, dove le inclinazioni assolute e relative dei metatarsi e delle falangi prossimali sono state calcolate. Per questo scopo, l’analisi delle componenti principali è stata utilizzata. Successivamente, i modelli dei piedi sono stati integrati con le mappe pressorie ottenute all’Istituto Ortopedico Rizzoli tramite analisi baropodometrica e le correlazioni tra le misure 3D e le variabili antropometriche (età, BMI), cliniche (anni della malattia, soglia di percezione delle vibrazioni) e di carico (carichi pressori) sono state analizzate. Il primo scopo della tesi è stato di verificare l’affidabilità del software Disior andando a comparare le correlazioni trovate con questo programma con quelle trovate con Amira, e anche facendo la distance map anlaysis (DMA). I risultati mostrano che Disior si comporta bene per le ossa più grandi, come i metatarsi, in cui le differenze tra i due software non sono state rilevanti, mentre per le ossa piccole come le falangi le differenze tra i due modelli sono risultate più accentuate. In conclusione, Disior non è in grado di rilevare i dettagli per via della sua azione smussante. Infine, il campione statistico dei piedi segmentati è stato raddoppiato usando il piede controlaterale di ogni paziente e segmentato usando solo Disior. Le correlazioni trovate sono più che raddoppiate per la maggior parte dei casi. Tuttavia, esse fanno riferimento a calcoli basati sul modello Disior, che abbiamo detto essere non precisi per le falangi. Dunque, i risultati ottenuti in quest’ultima parte potrebbero essere falsati e mal rappresentare la relazione tra le misure angolari e i carichi pressori. Una parte dell’oggetto di questa tesi è stata sottomessa e accettata al IX Congresso Mondiale sulla Biomeccanica.