Definition and robustness of new techniques for computing foot bone's anatomical reference systems from 3D biomedical scans

The foot is a very complex structure, where even minor deformities or lesions can produce progressive degeneration of the bones, also altering their morphology and orientation. Foot bones’ anatomical reference systems have not yet been established with automatic and robust procedures. Weight-bearing computed tomography (WBCT) is a recent technique that allows to obtain three-dimensional models of foot bones in single or double-leg upright posture, thus in physiological loading conditions. The first aim of this work was to evaluate the consistency and robustness of each definition of the anatomical reference systems. The second aim was to analyze the differences in the 3D models obtained with two segmentation software, particularly to understand how they influence the definition of the anatomical reference systems of the bones. A dataset of 17 diabetic and 4 healthy feet were scanned at the Rizzoli Orthopaedic Institute in Bologna; these foot scans were segmented with two software: one semi-automatic (Mimics) and one automatic (Disior). In the Matlab environment, three methods based on principal component analysis (PCA) were exploited to define the anatomical reference systems of the bones, considering three cases for each of them. From these, the inclinations in the frontal, sagittal and transverse planes were computed for each method. The results showed that the first two methods seem to correctly work only for the metatarsal bones, while the third method seems to define these anatomical reference systems more automatically and more robustly. Furthermore, the statistical analysis did not show significant (p<0.05) differences and correlations between the values, except in a few cases. For example, in the case of the lateral and transversal inclination in the 1st phalanx of the third method where r = 0,28 and r = 0,29 respectively were found. Finally, the analysis of the differences between the 3D models obtained by the two segmentation software showed that the difference between the corresponding bone models is lower in the bigger bones, such as the metatarsals, than in smaller bones, such as the phalanges. This may be accounted to the sort of smoothing procedure applied by Disior, which has a bigger influence on smaller bones.

Il piede è una struttura molto complessa, dove anche lievi deformazioni o lesioni possono produrre una progressiva degenerazione delle ossa, alterandone anche la morfologia e l'orientamento. I sistemi di riferimento anatomici delle ossa del piede non sono ancora stati stabiliti con procedure automatiche e robuste. La tomografia computerizzata a fascio conico in carico (WBCT) è una tecnica recente che consente di ottenere modelli tridimensionali delle ossa del piede in postura eretta in singolo o doppio appoggio, quindi in condizioni di carico fisiologico. Il primo obiettivo di questo lavoro è stato quello di valutare la coerenza e la robustezza di ciascuna definizione dei sistemi di riferimento anatomici. Il secondo obiettivo è stato quello di analizzare le differenze nei modelli 3D ottenuti con due software di segmentazione, in particolare per capire come influenzano la definizione dei sistemi di riferimento anatomici delle ossa. Presso l'Istituto Ortopedico Rizzoli di Bologna sono stati scansionati 17 piedi diabetici e 4 sani; queste scansioni del piede sono state segmentate con due software: uno semi-automatico (Mimics) e uno automatico (Disior). In ambiente Matlab, sono stati sviluppati tre metodi basati sull'analisi delle componenti principali (PCA) per definire i sistemi di riferimento anatomici delle ossa, considerando tre casi per ciascuno di essi. Da questi sono state calcolate le inclinazioni nei piani frontale, sagittale e trasversale per ciascun metodo. I risultati hanno mostrato che i primi due metodi sembrano funzionare correttamente solo per le ossa metatarsali, mentre il terzo metodo sembra definire questi sistemi di riferimento anatomici in modo più automatico e robusto. Inoltre, l'analisi statistica non ha mostrato differenze e correlazioni significative (p<0.05) tra i valori, tranne in alcuni casi. Per esempio nel caso delle inclinazioni nel piano sagittale e trasverso della 1st falange per il terzo metodo dove sono stati trovati valori di r = 0,28 e r = 0,29 rispettivamente. Infine, l'analisi delle differenze tra i modelli 3D ottenuti dai due software di segmentazione ha mostrato che la differenza tra i modelli ossei corrispondenti è minore nelle ossa più grandi, come i metatarsi, rispetto alle ossa più piccole, come le falangi. Ciò può essere dovuto al tipo di procedura di smussatura applicata da Disior, che ha un'influenza maggiore sulle ossa più piccole.