Evaluation of Injuries and Boot Design in Ice Figure Skating and Imaging Modalities for Preoperative Planning in Total Knee Arthroplasty

Il pattinaggio artistico su ghiaccio è disciplina sportiva molto popolare in cui l’aspetto atletico e l’aspetto artistico trovano la loro massima unione. Come in molte altre discipline, gli infortuni sono comuni anche in questo sport. In particolare, gli ultimi 25 anni hanno visto un aumento dell’incidenza degli infortuni da sovraccarico nei pattinatori. Alcuni studi hanno ipotizzato che ciò sia dovuto alla necessità di dover presentare programmi dove i livelli tecnici sono sempre in crescita (ad esempio, con l'incremento di salti tripli e quadrupli). L'aumento del livello tecnico ha richiesto un incremento del numero di ore speso in allenamento, facendo accentuare di conseguenza i problemi derivanti dall’uso del pattino. Il primo obiettivo del mio progetto di Dottorato è stato quello di determinare la prevalenza degli infortuni da sovraccarico negli atleti di pattinaggio artistico su ghiaccio e di comprendere quali fra i fattori associati all’atleta o al pattino utilizzato si correlano a un maggior rischio di sviluppare infortuni. I risultati di questo studio dimostrano che l’area di maggior preoccupazione è quella del tallone, dove si è registrata la prevalenza di borsiti calcaneari profonde e superficiali. Questi risultati suggeriscono la necessità di un miglioramento del design della parte posteriore della scarpa. Questo studio dimostra anche che la maggiore flessibilità della caviglia nel pattino aumenta il rischio di sviluppo di borsiti calcaneari profonde nella gamba di atterraggio. Abbiamo inoltre dimostrato come la scelta della rigidezza del pattino debba essere fatta sulla base del peso dell’atleta (non solo sulla base del suo livello). Il recente aumento delle difficoltà tecniche nel pattinaggio artistico su ghiaccio ha portato i produttori di pattini ad aumentare la rigidezza della scarpa per proteggere la caviglia da eventuali traumi distorsivi negli atterraggi dai salti più difficili. Tuttavia, la maggiore rigidezza del pattino limita anche la dorsiflessione della caviglia, per cui l’atleta non riesce ad attenuare efficacemente l’impatto sviluppato all’atterraggio dai salti. Diversi studi ritengono che l'impatto col ghiaccio sia il responsabile di molti degli infortuni da sovraccarico nei pattinatori. Secondo obiettivo del progetto è stato quindi la valutazione dell’effetto di due variabili di design della scarpa da pattinaggio nel ridurre l’impatto generato all’atterraggio dei salti. Sono stati valutati l’utilizzo di un materiale viscoelastico dello spessore 1 mm posto come soletta o suola nella calzatura e la variazione dell'altezza del tacco (incrementata o diminuita di 6 mm rispetto allo standard). Nessuna delle due strategie ha dato un effetto significativo nelle variabili cinetiche misurate durante l’impatto piede-suolo. Ulteriori valutazioni sono necessarie per ripetere la stessa analisi eliminando la variabilità intra- e inter-soggetto presente in questa analisi, per esempio utilizzando un sistema meccanico che testi diversi tipi di prototipi di pattino simulando l’atterraggio piede-suolo. Durante il mio Dottorato ho affrontato anche un argomento di ricerca secondario: l’analisi degli errori nel planning preoperatorio eseguito per l’operazione di artroplastica di ginocchio. Quando l’artroplastica di ginocchio è implementata con le guide customizzate e secondo l’allineamento-cinematico, il planning preoperatorio è necessario per decidere in ambiente virtuale la posizione ideale della componente femorale sul femore distale e della componente tibiale sulla tibia prossimale utilizzando modelli 3D del ginocchio del paziente ottenuti da risonanza magnetica (MRI) o da tomografia computerizzata (CT). Siccome tutti modelli 3D sono generati con un certo grado di errore, la posizione della componente femorale e tibiale decisa durante il planning potrebbe risultare non ottimale, dato che viene calcolata a partire da un modello che descrive un'anatomia che non corrisponde esattamente a quella del paziente. La seconda parte della mia ricerca di Dottorato si è quindi focalizzata sullo sviluppo di una metodologia per analizzare gli errori nel planning preoperatorio causati da inaccuratezze nella morfologia dei modelli 3D del femore e della tibia ottenuti con MRI e CT. I risultati di questo studio hanno dimostrato che è possibile ottenere un modello 3D del femore da utilizzare come gold standard per confrontare i modelli ottenuti da MRI e CT con un accuratezza fino a 70 µm tramite due dei quattro sistemi di scansione laser 3D valutati. Inoltre, i fiducial markers e l’algoritmo di registrazione sviluppati in questo studio sono risultati promettenti per comparare i modelli 3D e i planning preoperativi ottenuti con MRI e CT. In particolare, la localizzazione dei marcatori è stata eseguita con errori di ripetibilità minore di 0.06 mm per CT e scansione laser, e minore di 0.25 mm per MRI. Gli errori nella registrazione dei modelli 3D risultano ancora troppo alti per valutare l’accuratezza del planning preoperatorio. Per concludere, i risultati di questo studio suggeriscono che per migliorare la registrazione dei modelli 3D si può ingrandire il diametro del marcatore, utilizzare la sonda tattile per scansionare i marker nel modello gold standard, oppure, nel caso della MRI, si possono scansionare i marcatori con un minore spessore delle slice rispetto al resto dell’anatomia.

Ice figure skating is a popular recreational and competitive sport where artistry and athleticism find their best mix, with an increasing participation to the sport in recent years. As in many other sports, injuries in ice figure skating are common. However, several studies reported an alarming increase of figure skaters suffering from injuries in the past 25 years, and suspected that the majority of these injuries are the consequence of the increased demand for technical difficulties in the programs, like triple and quadruple jumps. This increased demand has brought to an increased time spent on training activity which accentuated the problems derived by the use of the ice figure skate. To overcome the limitations of the present skate design, it is important to understand the main issues related to its use. Thus, the first aim of this Ph.D. research was to collect data about the prevalence of injuries in ice figure skaters and to understand which factors related to the athlete or the skate itself correlate with a specific type of injury. Our results suggested that the heel represents a major area of concern for the high prevalence of calcaneal bursitis and calluses in proximity of the Achilles tendon, suggesting that improvements on the boot heel cup design should take priority. The choice of the appropriate boot stiffness should take into account skaters’ weight in addition to the skating level, and boot retailers should be better educated to sell the appropriate boot size and stiffness to the skaters. The increased technical difficulties in the sport has also brought to an increase in the skating boot stiffness to protect the ankle from the most difficult jump landings. However, the increased boot stiffness prevent the skater’s foot and ankle from attenuating the impact developed in jump landings. This impact has been suggested to be responsible of the many overuse injuries that affect thousands of skaters every year. Hence, the second aim of this Ph.D. research was to test the effect of two design variables of the skating boot in reducing the landing impact. Our results showed that the use of a 1mm thickness viscoelastic insert, weather used as an insole or a sole under the boot, and a 6 mm reduction in the boot heel height do not appear to affect kinetic variables during jump landings. However, further investigation are needed to test the effectiveness of changes in boot heel height and viscoelastic inserts without the intra- and inter-subjects variability in jump landings, for example by using a mechanical testing device that can simulated the toe to heel landing of the athletes’ skate. This thesis investigates also a secondary topic, the evaluation of the errors in the preoperative planning for kinematically-aligned total knee arthroplasty when developed with three-dimensional bone models obtained from magnetic resonance imaging (MRI) and computed tomography (CT). Since the morphology of three-dimensional bone models obtained from MRI and CT is inaccurate to certain degree, then the preoperative planning may be inaccurate because based on a bony anatomy which differs from the one of the actual patient. Hence, my doctoral research focused on the development of a methodology to analyze the error in the preoperative planning caused by errors in the morphology of the bone models obtained with MRI and CT. First, our results suggested that a gold standard bone model can be obtained with a laser scanner system with a repeatability error below 70 μm and used as a reference to compare MRI and CT bone models. Secondly, this study shows that the marker-based methodology developed is promising to evaluate the difference in the bone models and thepreoperative plans for kinematically-aligned TKA. The identification of the location of the fiducial markers can be achieved with repeatability errors below 0.25 mm, but the error in the registration of the bone models was too high for the scope of this study. Further improvement includes evaluating the use of the hard probe to scan the markers for the gold standard model, increasing the size of the fiducial marker, and decreasing the slice thickness for the imageacquisition of the marker with the MRI.