Methodological improvement of 3D fluoroscopic analysis for the robust quantification of 3D kinematics of human joints

3D video-fluoroscopy is an accurate but cumbersome technique to estimate natural or prosthetic human joint kinematics. This dissertation proposes innovative methodologies to improve the 3D fluoroscopic analysis reliability and usability. Being based on direct radiographic imaging of the joint, and avoiding soft tissue artefact that limits the accuracy of skin marker based techniques, the fluoroscopic analysis has a potential accuracy of the order of mm/deg or better. It can provide fundamental informations for clinical and methodological applications, but, notwithstanding the number of methodological protocols proposed in the literature, time consuming user interaction is exploited to obtain consistent results. The user-dependency prevented a reliable quantification of the actual accuracy and precision of the methods, and, consequently, slowed down the translation to the clinical practice. The objective of the present work was to speed up this process introducing methodological improvements in the analysis. In the thesis, the fluoroscopic analysis was characterized in depth, in order to evaluate its pros and cons, and to provide reliable solutions to overcome its limitations. To this aim, an analytical approach was followed. The major sources of error were isolated with in-silico preliminary studies as: (a) geometric distortion and calibration errors, (b) 2D images and 3D models resolutions, (c) incorrect contour extraction, (d) bone model symmetries, (e) optimization algorithm limitations, (f) user errors. The effect of each criticality was quantified, and verified with an in-vivo preliminary study on the elbow joint. The dominant source of error was identified in the limited extent of the convergence domain for the local optimization algorithms, which forced the user to manually specify the starting pose for the estimating process. To solve this problem, two different approaches were followed: to increase the optimal pose convergence basin, the local approach used sequential alignments of the 6 degrees of freedom in order of sensitivity, or a geometrical feature-based estimation of the initial conditions for the optimization; the global approach used an unsupervised memetic algorithm to optimally explore the search domain. The performances of the technique were evaluated with a series of in-silico studies and validated in-vitro with a phantom based comparison with a radiostereometric gold-standard. The accuracy of the method is joint-dependent, and for the intact knee joint, the new unsupervised algorithm guaranteed a maximum error lower than 0.5 mm for in-plane translations, 10 mm for out-of-plane translation, and of 3 deg for rotations in a mono-planar setup; and lower than 0.5 mm for translations and 1 deg for rotations in a bi-planar setups. The bi-planar setup is best suited when accurate results are needed, such as for methodological research studies. The mono-planar analysis may be enough for clinical application when the analysis time and cost may be an issue. A further reduction of the user interaction was obtained for prosthetic joints kinematics. A mixed region-growing and level-set segmentation method was proposed and halved the analysis time, delegating the computational burden to the machine. In-silico and in-vivo studies demonstrated that the reliability of the new semiautomatic method was comparable to a user defined manual gold-standard. The improved fluoroscopic analysis was finally applied to a first in-vivo methodological study on the foot kinematics. Preliminary evaluations showed that the presented methodology represents a feasible gold-standard for the validation of skin marker based foot kinematics protocols.

Analysis of human body kinematics using a hybrid markerless video acquisition and processing

A main objective of the human movement analysis is the quantitative description of joint kinematics and kinetics. This information may have great possibility to address clinical problems both in orthopaedics and motor rehabilitation. Previous studies have shown that the assessment of kinematics and kinetics from stereophotogrammetric data necessitates a setup phase, special equipment and expertise to operate. Besides, this procedure may cause feeling of uneasiness on the subjects and may hinder with their walking. The general aim of this thesis is the implementation and evaluation of new 2D markerless techniques, in order to contribute to the development of an alternative technique to the traditional stereophotogrammetric techniques. At first, the focus of the study has been the estimation of the ankle-foot complex kinematics during stance phase of the gait. Two particular cases were considered: subjects barefoot and subjects wearing ankle socks. The use of socks was investigated in view of the development of the hybrid method proposed in this work. Different algorithms were analyzed, evaluated and implemented in order to have a 2D markerless solution to estimate the kinematics for both cases. The validation of the proposed technique was done with a traditional stereophotogrammetric system. The implementation of the technique leads towards an easy to configure (and more comfortable for the subject) alternative to the traditional stereophotogrammetric system. Then, the abovementioned technique has been improved so that the measurement of knee flexion/extension could be done with a 2D markerless technique. The main changes on the implementation were on occlusion handling and background segmentation. With the additional constraints, the proposed technique was applied to the estimation of knee flexion/extension and compared with a traditional stereophotogrammetric system. Results showed that the knee flexion/extension estimation from traditional stereophotogrammetric system and the proposed markerless system were highly comparable, making the latter a potential alternative for clinical use. A contribution has also been given in the estimation of lower limb kinematics of the children with cerebral palsy (CP). For this purpose, a hybrid technique, which uses high-cut underwear and ankle socks as “segmental markers” in combination with a markerless methodology, was proposed. The proposed hybrid technique is different than the abovementioned markerless technique in terms of the algorithm chosen. Results showed that the proposed hybrid technique can become a simple and low-cost alternative to the traditional stereophotogrammetric systems.

Nuovo scaffold biomimetico per il trattamento delle lesioni osteocondrali: studio clinico pilota

Nel corso degli anni diverse sono le tecniche proposte per il trattamento delle lesioni osteocondrali, da quelle mini-invasive con stimolazione midollare fino a quelle più aggressive basate sul trapianto di tessuti autologhi o eterologhi. Tutti questi metodi hanno comunque dei difetti ed è questo il motivo per cui il trattamento delle lesioni osteocondrali rappresenta tuttora una sfida per il chirurgo ortopedico, in considerazione dell’alta specializzazione e del basso potere di guarigione del tessuto cartilagineo. Buoni risultati sono stati ottenuti con innesti bioingegnerizzati o matrici polimeriche impiantati nei siti danneggiati. La quantità di scaffolds in uso per la riparazione condrale ed osteocondrale è molto ampia; essi differiscono non solo per il tipo di materiali usati per la loro realizzazione, ma anche per la presenza di promotori di una o più linee cellulari , su base condrogenica o osteogenica. Quando ci si approccia ad una lesione condrale di grandi dimensioni, l’osso sub-condrale è anch’esso coinvolto e necessita di trattamento per ottenere il corretto ripristino degli strati articolari più superficiali. La scelta più giusta sembra essere un innesto osteocondrale bioingegnerizzato, pronto per l’uso ed immediatamente disponibile, che consenta di effettuare il trattamento in un unico tempo chirurgico. Sulla base di questo razionale, dopo uno studio preclinico animale e previa autorizzazione del comitato etico locale, abbiamo condotto uno studio clinico clinico pilota utilizzando un nuovo innesto biomimetico nanostrutturato per il trattamento di lesioni condrali ed osteocondrali del ginocchio; la sua sicurezza e maneggevolezza, così come la facile riproducibilità della tecnica chirurgica ed i risultati clinici ottenuti sono stati valutati nel tempo a 6, 12, 24, 36 e 48 mesi dall’impianto in modo da testare il suo potenziale intrinseco senza l’aggiunta di alcuna linea cellulare.

Trattamento delle lesioni osteocondrali di grado I e II mediante infiltrazione intra-articolare di fattori di crescita autologhi (plasma rich in platelets)

The use of Platelet-rich plasma (PRP), a platelet concentrate made of autogenous blood, is becoming use in the treatment of some orthopaedic diseases. The aim of this study is to assess the effect of PRP on articular cartilage defects in a rabbit model (10 subjects). Twenty osteochondral defects created in the femoropatellar groove, were in ten cases left untreated and in ten cases treated with autogenous PRP. PRP was obtained using a double centrifugation of the rabbit’s blood harvested before the operation. 30 days after the lesion was made in both knee, the left one in each rabbit was treated by a PRP injection, followed by other two injection at 45 and 60 days. Tissue specimens were assessed by macroscopic examination and histological evaluation, that showed a better healing of the lesions in the knee treated with PRP injections.

Valutazione sperimentale della rigenerazione cartilaginea articolare dopo stimolazione biofisica con campi elettromagnetici pulsati in associazione a trattamenti chirurgici

Diverse tecniche di ingegneria tessutale sono state sviluppate per promuovere la riparazione delle lesioni della cartilagine articolare. Nonostante i buoni risultati clinici a breve termine, il tessuto rigenerato fallisce nel tempo poiché non possiede le caratteristiche meccaniche e funzionali della cartilagine articolare nativa. La stimolazione con campi elettromagnetici pulsati (CEMP) rappresenta un approccio terapeutico innovativo. I CEMP aumentano l’attività anabolica dei condrociti con conseguente incremento della sintesi della matrice, e limitano l’effetto catabolico delle citochine pro-infiammatorie riducendo la degradazione della cartilagine nel microambiente articolare. I CEMP agiscono mediante l’up-regolazione dei recettori adenosinici A2A potenziando il loro affetto anti-infiammatorio. Lo scopo di questo studio è stato quello di valutare l’effetto della stimolazione con CEMP sulla guarigione di difetti osteocondrali in un modello sperimentale nel coniglio. Un difetto osteocondrale del diametro di 4mm è stato eseguito nel condilo femorale mediale di entrambe le ginocchia di 20 conigli. A destra la lesione è stata lasciata a guarigione spontanea mentre a sinistra e stata trattata mediante inserimento di scaffold collagenico o trapianto di cellule mesenchimali midollari sul medesimo scaffold precedentemente prelevate dalla cresta iliaca. In base al trattamento eseguito 10 animali sono stati stimolati con CEMP 4 ore/die per 40 giorni mentre altri 10 hanno ricevuto stimolatori placebo. Dopo il sacrificio a 40 giorni, sono state eseguite analisi istologiche mediante un punteggio di O’Driscoll modificato. Confrontando le lesioni lasciate a guarigione spontanea, la stimolazione con CEMP ha migliorato significativamente il punteggio (p=0.021). Lo stesso risultato si è osservato nel confronto tra lesioni trattate mediante trapianto di cellule mesenchimali midollari (p=0.032). Nessuna differenza è stata osservata tra animali stimolati e placebo quando la lesione è stata trattata con il solo scaffold (p=0.413). La stimolazione con CEMP è risultata efficace nel promuovere la guarigione di difetti osteocartilaginei in associazione a tecniche chirurgiche di ingegneria tessutale.

Analisi clinica ed ex-vivo dei punti isometrici durante tecnica tightrope nella ricostruzione del legamento crociato craniale del cane

La rottura del Legamento Crociato Craniale (LCCr) rappresenta una delle patologie ortopediche di maggiore riscontro clinico nella specie canina. In seguito a rottura del LCCr si presenta un continuo slittamento craniale della tibia il quale esita in un processo osteoartrosico. La risoluzione chirurgica rappresenta la migliore soluzione terapeutica. Le tecniche chirurgiche extra-articolari con sfruttamento dei punti isometrici del ginocchio si presentano come delle procedure molto diffuse e utilizzate. Questa tesi propone di validare l’uso di un nuovo sistema di navigazione computerizzato-assistito per la valutazione cinematica durante la ricostruzione del LCCr nel cane, ma soprattutto di studiare e confrontare il comportamento e l’efficacia dopo ricostruzione TightRope (TR) in due diverse coppie di punti isometrici. Abbiamo effettuato due analisi in parallelo. La prima eseguendo interventi chirurgici con tecnica TR su 18 casi clinici e sfruttando il punto isometrico del femore (F2) e due diversi punti isometrici della tibia (T2 o T3). L’analisi prevedeva dei controlli postoperatori a 1, 3 e 6 mesi. Ad ogni controllo veniva effettuata una visita ortopedica, esami radiografici, un questionario di valutazione clinico e di soddisfazione del proprietario. Mentre nella ricerca Ex-Vivo abbiamo eseguito dei test su 14 preparati anatomici con l’utilizzo di un sistema di navigazione computerizzato per la rilevazione dei dati. L’analisi prevedeva la valutazione dell’articolazione in diversi stadi: LCCr intatto; LCCr rotto; dopo ricostruzione con TR in F2-T2 e tensionato a 22N, 44N e 99N; dopo ricostruzione con TR in F2-T3 e tensionato a 22N, 44N e 99N. Ad ogni stadio si eseguivano cinque test di valutazione, tra cui: Test del Cassetto, Test di compressione tibiale (TCT), Rotazione Interna/Esterna, Flesso/Estensione e Varo/Valgo. Lo scopo di tale studio è quello di confrontare tra loro i punti isometrici del ginocchio e di analizzare l’efficacia della tecnica TR nelle due differenti condizioni di isometria (F2-T2 e F2-T3).