Development of a medical device compatible with MRI/CT to measure ankle joint laxity

Abstract

The ankle joint in the human body experiences the most significant number of injuries across the whole musculoskeletal system, both in daily life and sports. The actual effect of the ankle's ongoing functional demand, particularly while engaging in sports that need the body to be raised off the ground regularly, is that this structure is exposed to challenging circumstances contrary to the optimal settings for balance and stability. The analysis and diagnosis stages of these injuries are carried out during two distinct phases: a manual examination by an orthopaedist to assess the functional capacity using simulated movement and palpation of the area of peripheral pain and an imaging examination. Since the two tests are run at different times, it is challenging to combine the data. Furthermore, it is impossible to obtain the precision and repeatability needed for a procedure of this sort when using such diagnostic approaches. That being said, Clínica do Dragão wanted to overcome these problems and needed a medical device to do the manual examination in an MRI environment. The manual exam needs to be made by a machine, and the creation of such a device is the goal of this work. Firstly, the objectives that this device should complain with were created to define the final attributes of the equipment. Several meetings with the work group were conducted to determine the requirements that the product should respect and that would constitute the technical specifications in order to fulfil and define the project's primary aims. The device was improved step by step for the conceptual design until a final concept could comply with all the demands of the design requirements. After developing a viable concept, the preliminary parts started to be designed until the initial design was finally fulfilled. After, the device was validated, beginning with the mechanical simulation of the different components and sub-systems until the cinematic validation of the final device. The result is a medical device capable of linking a physical exam to a precise imaging test, such as an MRI. So, the laxity of the ankle joint may be quantified, which is beneficial for both patients and medical experts.

A articulação do tornozelo é a articulação do corpo humano que sofre o maior número de lesões em todo o sistema musculoesquelético. A constante solicitação funcional do tornozelo, particularmente durante a prática de desporto, é que esta estrutura é exposta a circunstâncias perigosas que podem comprometer o equilíbrio e estabilidade desta articulação. As etapas de análise e diagnóstico destas lesões são realizadas em duas fases distintas: um exame físico feito por um ortopedista para avaliar a capacidade funcional por meio de movimentos simulados e palpação da área de dor periférica, e um exame de imagem, onde a condição anatômica desta articulação é avaliada pela análise da posição relativa das diversas partes. Como os dois testes são executados em momentos diferentes, é difícil correlacionar os dados. Além disso, é impossível obter a precisão e a repetibilidade necessárias para um procedimento desse tipo ao usar tais abordagens diagnósticas. Posto isto, a Clínica do Dragão pretendia ultrapassar estes problemas e por isso precisava de um dispositivo médico que permitisse fazer o exame manual dentro de RM. Este exame manual necessita de ser executado por um dispositivo, e a criação de tal dispositivo é o objetivo deste trabalho. Primeiramente, foram criados os objetivos que este dispositivo deve possuir, com o intuito de definir os atributos finais do equipamento. Foram realizadas várias reuniões com o grupo de trabalho para determinar os requisitos que o dispositivo deveria respeitar e que constituiriam as especificações técnicas do projeto. Em termos de projeto conceitual, o dispositivo foi aprimorado passo a passo até que um conceito final fosse capaz de preencher todas as especificações do projeto. Depois de desenvolver um conceito viável, as peças preliminares começaram a ser modeladas até que, finalmente, se desenvolveu o dispositivo preliminar. Após isso, foi feita a validação do mesmo, iniciando com a simulação mecânica dos diferentes componentes e subsistemas até a validação cinemática do dispositivo final. O resultado é um dispositivo médico capaz de conciliar o exame físico a um exame de imagem preciso, como a RM. Assim, a laxidez da articulação do tornozelo pode ser quantificada, o que é benéfico tanto para pacientes quanto para especialistas médicos.