Definition and evaluation of a finite element model of the human heel for diabetic foot ulcer prevention under shearing loads

Diabetic foot ulcers are triggered by mechanical loadings applied to the surface of the plantar skin. Strain is considered to play a crucial role in relation to ulcer etiology and can be assessed by Finite Element (FE) modelling. A difficulty in the generation of these models is the choice of the soft tissue material properties. In the literature, many studies attempt to model the behavior of the heel soft tissues by implementing constitutive laws that can differ significantly in terms of mechanical response. Moreover, current FE models lack of proper evaluation techniques that could estimate their ability to simulate realistic strains. In this article, we propose and evaluate a FE model of the human heel for diabetic foot ulcer prevention. Soft tissue constitutive laws are defined through the fitting of experimental stretch-stress curves published in the literature. The model is then evaluated through Digital Volume Correlation (DVC) based on non-rigid 3D Magnetic Resonance Image Registration. The results from FE analysis and DVC show similar strain locations in the fat pad and strain intensities according to the type of applied loads. For additional comparisons, different sets of constitutive models published in the literature are applied into the proposed FE mesh and simulated with the same boundary conditions. In this case, the results in terms of strains show great diversity in locations and intensities, suggesting that more research should be developed to gain insight into the mechanical properties of these tissues

Brand Design Strategy for Public Administration. An experimentation on Lazio Region’s Employment Centers in Italy

The paper deals with the theme of public services through the lens of Design and intends to report experiences and preliminary results of the research project aimed at the Employment Centers of the Lazio Region, which develops a Brand Design Strategy for the renewal of the service through an activity structured in distinct operational phases. In fact, the discipline of Design has the role of guiding a conscious structure of the brand in a systemic perspective, which, in addition to the visual identity, includes the service and spatial design, promoting accessibility, inclusiveness and usability. A case of methodological experimentation that aims to establish itself as a case of national best practice

Définition d'une méthodologie pour évaluer les modèles éléments finis du talon humain pour la prévention des escarres

The costs associated with the management of pressure ulcers are considered to be very significant in many countries being on a scale of billions of euros. The prevalence of ulcers in hospitalized patients is around 10% with the heel and sacrum being the most common sites. These two body locations are substantially different in matters of anatomy, histology and loading configurations, for this reason, this thesis will specifically focus on the prevention of heel ulcers. Precisely, in a patient laying on his back, the mechanical forces, originating by the weight of his leg and the foot are transferred to the heel bone, the calcaneus, through a relatively thin layer of soft tissues which includes fat, skin, muscle and tendons. Over time, these internal strains in tissues and cells can cause tissue breakdown and start a pressure ulcer. Therefore, a solution to track internal strains and alert when their values are too high could contribute in the prevention of heel pressure ulcers. This is a complex task as it is not possible to measure directly the strains that occur in the deep layers of the body. Medical imaging, external measurements, and cadaveric dissections can each offer only a partial information required to fully understand the role of the internal structures. Hence the only possibility to measure real time strains that occur in deep layers resulting from loading applied on the skin surface are computational simulations. In this regard, finite element (FE) modeling is a technique that permits for prediction of the performance of structural and mechanical systems. These simulations provide useful clinical information which is difficult to measure with experimental procedures. In the last decade the first FE heel models started to be developed in order to simulate the stress propagation in the heel while the subject is laying on a bed or during gait. However, the intervariability in terms of tissue morphologies and mechanical tissue properties makes this a complex task requiring subject specific models. Additionally the heel is by itself a complex structure involving a specific structure, the heel pad, situated in the lower part, composed by different tissues with different mechanical properties in close contact between each other. FE models are complex simulations that require a consistent and robust methodology for validation through rigorous experimental measurements. In literature there are to main gaps to this purpose. First, the scarcity of experimental tests to define in vivo material properties of the human fat pad. In general researchers keep implementing in their current models parameters that refer to outdated studies made on ex vivo specimens. Second, little has been done little to establish the validity of FE models via experimental measurements. Usually data from previous studies in literature is used to compare the results of contact pressures and strain propagation in internal tissues. However, as all published studies suffer from the same limitations, they not provide any meaningful validation of the results.This therefore leads us to the main research purpose of this thesis: «Definition of a new methodology to evaluate finite element models of the human heel for pressure ulcer prevention».Les coûts associés à la prise en charge des escarres sont considérés comme très importants dans de nombreux pays puisqu'ils se chiffrent en milliards d'euros. La prévalence des ulcères chez les patients hospitalisés est d'environ 10 %, le talon et le sacrum étant les sites les plus courants. Ces deux localisations corporelles sont sensiblement différentes en termes d'anatomie, d'histologie et de configurations de chargement, c'est pourquoi cette thèse se concentrera spécifiquement sur la prévention des ulcères du talon. Précisément, chez un patient allongé sur le dos, les forces mécaniques, provenant du poids de sa jambe et de son pied, sont transférées à l'os du talon, le calcanéum, à travers une couche relativement mince de tissus mous qui comprend la graisse, la peau, les muscles et tendons. Au fil du temps, ces tensions internes dans les tissus et les cellules peuvent provoquer une dégradation des tissus et déclencher une escarre. Par conséquent, une solution pour suivre les contraintes internes et alerter lorsque leurs valeurs sont trop élevées pourrait contribuer à la prévention des escarres du talon. Il s'agit d'une tâche complexe car il n'est pas possible de mesurer directement les contraintes qui se produisent dans les couches profondes du corps. L'imagerie médicale, les mesures externes et les dissections cadavériques ne peuvent offrir chacune qu'une information partielle nécessaire pour bien comprendre le rôle des structures internes. Par conséquent, la seule possibilité de mesurer les déformations en temps réel qui se produisent dans les couches profondes résultant de la charge appliquée sur la surface de la peau sont des simulations informatiques. À cet égard, la modélisation par éléments finis (FE) est une technique qui permet de prédire la performance des systèmes structurels et mécaniques. Ces simulations fournissent des informations cliniques utiles qui sont difficiles à mesurer avec des procédures expérimentales. Au cours de la dernière décennie, les premiers modèles de talon EF ont commencé à être développés afin de simuler la propagation des contraintes dans le talon lorsque le sujet est allongé sur un lit ou pendant la marche. Cependant, l'intervariabilité en termes de morphologies tissulaires et de propriétés mécaniques des tissus en fait une tâche complexe nécessitant des modèles spécifiques au sujet. De plus, le talon est en lui-même une structure complexe impliquant une structure spécifique, la talonnière, située dans la partie inférieure, composée de différents tissus aux propriétés mécaniques différentes en contact étroit les uns avec les autres. Les modèles FE sont des simulations complexes qui nécessitent une méthodologie cohérente et robuste pour la validation par des mesures expérimentales rigoureuses. Dans la littérature, il y a des lacunes principales à cet effet. Premièrement, la rareté des tests expérimentaux pour définir les propriétés matérielles in vivo du coussinet adipeux humain. En général, les chercheurs continuent d'implémenter dans leurs modèles actuels des paramètres faisant référence à des études obsolètes réalisées sur des échantillons ex vivo. Deuxièmement, peu a été fait pour établir la validité des modèles FE via des mesures expérimentales. Habituellement, les données d'études antérieures dans la littérature sont utilisées pour comparer les résultats des pressions de contact et de la propagation des contraintes dans les tissus internes. Cependant, comme toutes les études publiées souffrent des mêmes limites, elles ne fournissent aucune validation significative des résultats.Cela nous amène donc à l'objectif principal de recherche de cette thèse : "Définition d'une nouvelle méthodologie pour évaluer les modèles d'éléments finis du talon humain pour la prévention des escarres"

Définition d'une méthodologie pour évaluer les modèles éléments finis du talon humain pour la prévention des escarres

The costs associated with the management of pressure ulcers are considered to be very significant in many countries being on a scale of billions of euros. The prevalence of ulcers in hospitalized patients is around 10% with the heel and sacrum being the most common sites. These two body locations are substantially different in matters of anatomy, histology and loading configurations, for this reason, this thesis will specifically focus on the prevention of heel ulcers. Precisely, in a patient laying on his back, the mechanical forces, originating by the weight of his leg and the foot are transferred to the heel bone, the calcaneus, through a relatively thin layer of soft tissues which includes fat, skin, muscle and tendons. Over time, these internal strains in tissues and cells can cause tissue breakdown and start a pressure ulcer. Therefore, a solution to track internal strains and alert when their values are too high could contribute in the prevention of heel pressure ulcers. This is a complex task as it is not possible to measure directly the strains that occur in the deep layers of the body. Medical imaging, external measurements, and cadaveric dissections can each offer only a partial information required to fully understand the role of the internal structures. Hence the only possibility to measure real time strains that occur in deep layers resulting from loading applied on the skin surface are computational simulations. In this regard, finite element (FE) modeling is a technique that permits for prediction of the performance of structural and mechanical systems. These simulations provide useful clinical information which is difficult to measure with experimental procedures. In the last decade the first FE heel models started to be developed in order to simulate the stress propagation in the heel while the subject is laying on a bed or during gait. However, the intervariability in terms of tissue morphologies and mechanical tissue properties makes this a complex task requiring subject specific models. Additionally the heel is by itself a complex structure involving a specific structure, the heel pad, situated in the lower part, composed by different tissues with different mechanical properties in close contact between each other. FE models are complex simulations that require a consistent and robust methodology for validation through rigorous experimental measurements. In literature there are to main gaps to this purpose. First, the scarcity of experimental tests to define in vivo material properties of the human fat pad. In general researchers keep implementing in their current models parameters that refer to outdated studies made on ex vivo specimens. Second, little has been done little to establish the validity of FE models via experimental measurements. Usually data from previous studies in literature is used to compare the results of contact pressures and strain propagation in internal tissues. However, as all published studies suffer from the same limitations, they not provide any meaningful validation of the results.This therefore leads us to the main research purpose of this thesis: «Definition of a new methodology to evaluate finite element models of the human heel for pressure ulcer prevention».Les coûts associés à la prise en charge des escarres sont considérés comme très importants dans de nombreux pays puisqu'ils se chiffrent en milliards d'euros. La prévalence des ulcères chez les patients hospitalisés est d'environ 10 %, le talon et le sacrum étant les sites les plus courants. Ces deux localisations corporelles sont sensiblement différentes en termes d'anatomie, d'histologie et de configurations de chargement, c'est pourquoi cette thèse se concentrera spécifiquement sur la prévention des ulcères du talon. Précisément, chez un patient allongé sur le dos, les forces mécaniques, provenant du poids de sa jambe et de son pied, sont transférées à l'os du talon, le calcanéum, à travers une couche relativement mince de tissus mous qui comprend la graisse, la peau, les muscles et tendons. Au fil du temps, ces tensions internes dans les tissus et les cellules peuvent provoquer une dégradation des tissus et déclencher une escarre. Par conséquent, une solution pour suivre les contraintes internes et alerter lorsque leurs valeurs sont trop élevées pourrait contribuer à la prévention des escarres du talon. Il s'agit d'une tâche complexe car il n'est pas possible de mesurer directement les contraintes qui se produisent dans les couches profondes du corps. L'imagerie médicale, les mesures externes et les dissections cadavériques ne peuvent offrir chacune qu'une information partielle nécessaire pour bien comprendre le rôle des structures internes. Par conséquent, la seule possibilité de mesurer les déformations en temps réel qui se produisent dans les couches profondes résultant de la charge appliquée sur la surface de la peau sont des simulations informatiques. À cet égard, la modélisation par éléments finis (FE) est une technique qui permet de prédire la performance des systèmes structurels et mécaniques. Ces simulations fournissent des informations cliniques utiles qui sont difficiles à mesurer avec des procédures expérimentales. Au cours de la dernière décennie, les premiers modèles de talon EF ont commencé à être développés afin de simuler la propagation des contraintes dans le talon lorsque le sujet est allongé sur un lit ou pendant la marche. Cependant, l'intervariabilité en termes de morphologies tissulaires et de propriétés mécaniques des tissus en fait une tâche complexe nécessitant des modèles spécifiques au sujet. De plus, le talon est en lui-même une structure complexe impliquant une structure spécifique, la talonnière, située dans la partie inférieure, composée de différents tissus aux propriétés mécaniques différentes en contact étroit les uns avec les autres. Les modèles FE sont des simulations complexes qui nécessitent une méthodologie cohérente et robuste pour la validation par des mesures expérimentales rigoureuses. Dans la littérature, il y a des lacunes principales à cet effet. Premièrement, la rareté des tests expérimentaux pour définir les propriétés matérielles in vivo du coussinet adipeux humain. En général, les chercheurs continuent d'implémenter dans leurs modèles actuels des paramètres faisant référence à des études obsolètes réalisées sur des échantillons ex vivo. Deuxièmement, peu a été fait pour établir la validité des modèles FE via des mesures expérimentales. Habituellement, les données d'études antérieures dans la littérature sont utilisées pour comparer les résultats des pressions de contact et de la propagation des contraintes dans les tissus internes. Cependant, comme toutes les études publiées souffrent des mêmes limites, elles ne fournissent aucune validation significative des résultats.Cela nous amène donc à l'objectif principal de recherche de cette thèse : "Définition d'une nouvelle méthodologie pour évaluer les modèles d'éléments finis du talon humain pour la prévention des escarres"

Definition of a methodology to evaluate finite element models of the human heel for the prevention of pressure ulcers

Les coûts associés à la prise en charge des escarres sont considérés comme très importants dans de nombreux pays puisqu'ils se chiffrent en milliards d'euros. La prévalence des ulcères chez les patients hospitalisés est d'environ 10 %, le talon et le sacrum étant les sites les plus courants. Ces deux localisations corporelles sont sensiblement différentes en termes d'anatomie, d'histologie et de configurations de chargement, c'est pourquoi cette thèse se concentrera spécifiquement sur la prévention des ulcères du talon. Précisément, chez un patient allongé sur le dos, les forces mécaniques, provenant du poids de sa jambe et de son pied, sont transférées à l'os du talon, le calcanéum, à travers une couche relativement mince de tissus mous qui comprend la graisse, la peau, les muscles et tendons. Au fil du temps, ces tensions internes dans les tissus et les cellules peuvent provoquer une dégradation des tissus et déclencher une escarre. Par conséquent, une solution pour suivre les contraintes internes et alerter lorsque leurs valeurs sont trop élevées pourrait contribuer à la prévention des escarres du talon. Il s'agit d'une tâche complexe car il n'est pas possible de mesurer directement les contraintes qui se produisent dans les couches profondes du corps. L'imagerie médicale, les mesures externes et les dissections cadavériques ne peuvent offrir chacune qu'une information partielle nécessaire pour bien comprendre le rôle des structures internes. Par conséquent, la seule possibilité de mesurer les déformations en temps réel qui se produisent dans les couches profondes résultant de la charge appliquée sur la surface de la peau sont des simulations informatiques. À cet égard, la modélisation par éléments finis (FE) est une technique qui permet de prédire la performance des systèmes structurels et mécaniques. Ces simulations fournissent des informations cliniques utiles qui sont difficiles à mesurer avec des procédures expérimentales. Au cours de la dernière décennie, les premiers modèles de talon EF ont commencé à être développés afin de simuler la propagation des contraintes dans le talon lorsque le sujet est allongé sur un lit ou pendant la marche. Cependant, l'intervariabilité en termes de morphologies tissulaires et de propriétés mécaniques des tissus en fait une tâche complexe nécessitant des modèles spécifiques au sujet. De plus, le talon est en lui-même une structure complexe impliquant une structure spécifique, la talonnière, située dans la partie inférieure, composée de différents tissus aux propriétés mécaniques différentes en contact étroit les uns avec les autres. Les modèles FE sont des simulations complexes qui nécessitent une méthodologie cohérente et robuste pour la validation par des mesures expérimentales rigoureuses. Dans la littérature, il y a des lacunes principales à cet effet. Premièrement, la rareté des tests expérimentaux pour définir les propriétés matérielles in vivo du coussinet adipeux humain. En général, les chercheurs continuent d'implémenter dans leurs modèles actuels des paramètres faisant référence à des études obsolètes réalisées sur des échantillons ex vivo. Deuxièmement, peu a été fait pour établir la validité des modèles FE via des mesures expérimentales. Habituellement, les données d'études antérieures dans la littérature sont utilisées pour comparer les résultats des pressions de contact et de la propagation des contraintes dans les tissus internes. Cependant, comme toutes les études publiées souffrent des mêmes limites, elles ne fournissent aucune validation significative des résultats.Cela nous amène donc à l'objectif principal de recherche de cette thèse : "Définition d'une nouvelle méthodologie pour évaluer les modèles d'éléments finis du talon humain pour la prévention des escarres".The costs associated with the management of pressure ulcers are considered to be very significant in many countries being on a scale of billions of euros. The prevalence of ulcers in hospitalized patients is around 10% with the heel and sacrum being the most common sites. These two body locations are substantially different in matters of anatomy, histology and loading configurations, for this reason, this thesis will specifically focus on the prevention of heel ulcers. Precisely, in a patient laying on his back, the mechanical forces, originating by the weight of his leg and the foot are transferred to the heel bone, the calcaneus, through a relatively thin layer of soft tissues which includes fat, skin, muscle and tendons. Over time, these internal strains in tissues and cells can cause tissue breakdown and start a pressure ulcer. Therefore, a solution to track internal strains and alert when their values are too high could contribute in the prevention of heel pressure ulcers. This is a complex task as it is not possible to measure directly the strains that occur in the deep layers of the body. Medical imaging, external measurements, and cadaveric dissections can each offer only a partial information required to fully understand the role of the internal structures. Hence the only possibility to measure real time strains that occur in deep layers resulting from loading applied on the skin surface are computational simulations. In this regard, finite element (FE) modeling is a technique that permits for prediction of the performance of structural and mechanical systems. These simulations provide useful clinical information which is difficult to measure with experimental procedures. In the last decade the first FE heel models started to be developed in order to simulate the stress propagation in the heel while the subject is laying on a bed or during gait. However, the intervariability in terms of tissue morphologies and mechanical tissue properties makes this a complex task requiring subject specific models. Additionally the heel is by itself a complex structure involving a specific structure, the heel pad, situated in the lower part, composed by different tissues with different mechanical properties in close contact between each other. FE models are complex simulations that require a consistent and robust methodology for validation through rigorous experimental measurements. In literature there are to main gaps to this purpose. First, the scarcity of experimental tests to define in vivo material properties of the human fat pad. In general researchers keep implementing in their current models parameters that refer to outdated studies made on ex vivo specimens. Second, little has been done little to establish the validity of FE models via experimental measurements. Usually data from previous studies in literature is used to compare the results of contact pressures and strain propagation in internal tissues. However, as all published studies suffer from the same limitations, they not provide any meaningful validation of the results.This therefore leads us to the main research purpose of this thesis: «Definition of a new methodology to evaluate finite element models of the human heel for pressure ulcer prevention»

Development of a finite element model for the heterogeneous structure of the calcaneal foot pad to study its loading distribution. Insights for stress-related injuries.

International audienc

Strain Calculation from MR Image Registration: An Application for Foot Pressure Ulcer Prevention.

International audienc

MR-compatible loading device for assessment of heel pad internal tissue displacements under shearing load.

International audienceIn the last decade, the role of shearing loads has been increasingly suspected to play a determinant impact in the formation of deep pressure ulcers. In vivo observations of such deformations are complex to obtain. Previous studies only provide global measurements of such deformations without getting the quantitative values of the loads that generate these deformations. To study the role that shearing loads have in the aetiology of heel pressure ulcers, an MR-compatible device for the application of shearing and normal loads was designed. Magnetic resonance imaging is a key feature that allows to monitor deformations of soft tissues after loading in a non-invasive way. Measuring applied forces in an MR-environment is challenging due to the impossibility to use magnetic materials. In our device, forces are applied through the compression of springs made in polylactide. Shearing and normal loads were applied on the plantar skin of the human heel by means of an indenting plate while acquiring MR images. The device materials did not introduce any imaging artifact and allowed for high quality MR measurements permitting to identify the deformation of the internal components of the heel. The obtained subject-specific results are an original data set that can be used in validations for Finite Element analysis and therefore contribute to a better understanding of the factors involved in pressure ulcer development

Current poisson's ratio values of finite element models are too low to consider soft tissues nearly-incompressible: illustration on the human heel region

Tissues' nearly incompressibility was well reported in the literature but little effort has been made to compare volume variations computed by simulations with in vivo measurements. In this study, volume changes of the fat pad during controlled indentations of the human heel region were estimated from segmented medical images using digital volume correlation. The experiment was reproduced using finite element modelling with several values of Poisson’s ratio for the fat pad, from 0.4500 to 0.4999. A single value of Poisson’s ratio could not fit all the indentation cases. Estimated volume changes were between 0.9% − 11.7%