Sviluppo e test di strumenti di geometria computazionale e machine learning per la realizzazione di protesi d'arto su misura

The socket represents the interface between the patient and the prosthesis. Finding an adequate way to realize a comfortable socket is of fundamental importance. Typically, the socket is handcrafted by orthopaedic technicians starting from getting the shape of the patient’s residual limb with plaster bandages. This operation could be performed in different ways. The aim of this work is to compare 2 casting techniques to obtain full-contact sockets for lower limb amputations: the hand and the hydrostatic cast. This work is part of a project funded by the Department of Defence of the United States and carried out by the INAIL Prosthesis Centre, the Northwestern University, and the Minneapolis Veterans Administration Healthcare Service. The 2 casting techniques are compared under 3 main aspects: outcomes, effectiveness, and consistency. The trial protocol involves the enrolment of 90 patients for whom 2 check sockets are produced using the 2 different casting techniques. To investigate the aspects listed, timing, Socket Comfort Scores, and scans of the intermediate production steps are collected for both procedures. The data were then compared using statistical testing, distance maps and Bland-Altman plots. A further objective of the work consists in evaluating the use of the Principal Component Analysis (PCA) algorithm, to predict the shape of a custom socket. For this purpose, an experimentation was carried out to find a standardization of the procedures. The results obtained with the patient’s enrolled so far allows us to state that transtibial patients typically prefer sockets obtained with hydrostatic casting while the opposite occurs for transfemoral patients; the time spent to realize the socket is strongly operator dependent and is not possible to establish the faster technique for all the centres; the hand cast is more repeatable than the hydrostatic cast. For what concerns PCA, a standardized procedure was found that allows us to apply the algorithm to the datasets with excellent results. In future, the last expected patients will be enrolled, and a technical staff will test the feasibility of integrating AI algorithms in the socket production workflow.

L'invasatura rappresenta l'interfaccia tra il paziente e la protesi e riuscire a realizzarla funzionale e confortevole è di fondamentale importanza. Solitamente, l'invasatura viene ottenuta a partire da un calco in gesso dell'arto residuo del paziente, che può essere realizzato in diversi modi. Lo scopo di questo lavoro è confrontare due tecniche di casting, manuale e idrostatica, per ottenere invasature a contatto totale per amputazioni transtibiali e transfemorali. Questo lavoro fa parte di un progetto finanziato dal Dipartimento della Difesa statunitense, realizzato dal Centro Protesi INAIL, dalla Northwestern University e dal Minneapolis Veterans Administration Healthcare Service. Le due tecniche di casting vengono confrontate sotto 3 aspetti principali: comfort, efficacia e ripetibilità. Il protocollo di test prevede l'arruolamento di 90 pazienti ai quali vengono realizzate 2 invasature con le due diverse tecniche. Per indagare gli aspetti elencati, per entrambe le procedure sono stati raccolti tempi, Socket Comfort Score e scansioni dei pezzi in lavorazione. I dati sono stati confrontati utilizzando test statistici, mappe distanza e diagrammi di Bland-Altman. Un ulteriore obiettivo del lavoro consiste nel valutare l'uso dell'algoritmo della Principal Component Analysis (PCA) per prevedere la forma di un invaso personalizzato. A tal fine, è stata condotta un’analisi per trovare una standardizzazione delle procedure. I risultati ottenuti con i pazienti finora arruolati permettono di affermare che i pazienti transtibiali preferiscono tipicamente l'invasatura ottenuta con il casting idrostatico, mentre il contrario avviene per i pazienti transfemorali; il tempo impiegato per realizzare l'invasatura è fortemente operatore dipendente e non è possibile stabilire la tecnica più rapida per tutti i centri; il calco manuale è più ripetibile del calco idrostatico. Per quanto riguarda la PCA, è stata individuata una procedura standard che consente di applicare l'algoritmo ai dataset con ottimi risultati. In futuro, verranno arruolati gli ultimi pazienti previsti e uno staff tecnico valuterà i protocolli proposti per integrare algoritmi di IA nella linea di produzione.