Osteochondral lesions of the talus (OLTs) are the third most common type of osteochondral lesion and can cause pain and instability of the ankle joint. Episurf Medical AB is a medical technology company that develops individualized implants for patients who are suffering from focal cartilage lesions. Episurf have recently started a project that aims to implement their implantation technique in the treatment of OLTs. This master thesis was a part of Episurf’s talus project and the main goal of the thesis was to find the optimal implantation angle of the Episurf implant when treating OLTs. The optimal implantation angle was defined as the angle that minimized the maximum equivalent (von Mises) strain acting on the implant shaft during the stance phase of a normal gait cycle. It is desirable to minimize the strain acting on the implant shaft, since a reduction of the strain can improve the longevity of the implant. To find the optimal implantation angle a finite element model of an ankle joint treated with the Episurf implant was developed. In the model an implant with a diameter of 12 millimeters was placed in the middle part of the medial side of the talar dome. An optimization algorithm was designed to find the implantation angle, which minimized the maximum equivalent strain acting on the implant shaft. The optimal implantation angle was found to be a sagittal angle of 12.5 degrees and a coronal angle of 0 degrees. Both the magnitude and the direction of the force applied to the ankle joint in the simulated stance phase seemed to influence the maximum equivalent strain acting on the implant shaft. A number of simplifications have been done in the simulation of this project, which might affect the accuracy of the results. Therefore it is recommended that further, more detailed, simulations based on this project are performed in order to improve the result accuracy. / Fokala broskskador på talusbenet är den tredje vanligaste typen av fokala broskskador och kan ge upphov till smärta och instabilitet av fotleden. Episurf Medical AB är ett medicintekniskt företag som utvecklar individanpassade implantat för patienter med fokala broskskador. Episurf har nyligen påbörjat ett projekt där deras teknik ska användas i behandlingen av fokala broskskador på talusbenet. Den här masteruppsatsen var en del i Episurfs talusprojekt och dess huvudmål var att finna den optimala implantationsvinkeln av Episurfs implantat i behandlingen av fokala broskskador på talusbenet. Den optimala implanteringsvinkeln definierades som den vinkel som minimerade den effektiva von Mises-töjningen som verkade på implantatskaftet under stance-fasen i en normal gångcykel. Det är eftersträvansvärt att minimera belastningen på implantatskaftet eftersom en reducering av belastningen kan förbättra implantatets livslängd. En finita element-modell av en fotled behandlad med Episurfs implantat utvecklades för att för att finna den optimala implantationsvinkeln. I modellen placerades ett implantat med en diameter på 12 millimeter på mittendelen av talus mediala sida. En optimeringsalgoritm utformades för att finna implantationsvinkeln som minimerade den effektiva von Mises-töjningen på implantatskaftet. Den funna optimala implantationsvinkeln bestod av en vinkel på 12.5 grader i sagittalplan och en vinkel på 0 grader i koronalplan. Både storleken och riktningen på kraften som applicerats på fotleden under den simulerade stance-fasen av gångcykeln verkade påverka belastningen på implantatskaftet. Ett antal förenklingar har gjorts i projektets simuleringar, vilket kan påverka noggrannheten i resultatet. Därför rekommenderas att ytterligare, mer detaljerade simuleringar baserade på det här projektet görs för att förbättra resultatets noggrannhet.

The structure of the ankle joint complex creates an ideal balance between mobility and stability, which enables gait. If a lesion emerges in the ankle joint complex, the anatomical structure is altered, which may disturb mobility and stability and cause intense pain. A lesion in the articular cartilage on the talus bone, or a lesion in the subchondral bone of the talar dome, is referred to as an Osteochondral Lesion of the Talus (OLT). Replacing the damaged cartilage or bone with an implant is one of the methods that can be applied to treat OLTs. Episurf Medical develops and produces patient-specific implants (Episealers) along with the necessary associated surgical instruments by, inter alia, creating a corresponding 3D model of the ankle (talus, tibial, and fibula bones) based on either a Magnetic Resonance Imaging (MRI) scan or a Computed Tomography (CT) scan. Presently, the3D models based on MRI scans can be created automatically, but the 3Dmodels based on CT scans must be created manually, which can be very time-demanding. In this thesis project, a U-net based Convolutional Neural Network (CNN) was trained to automatically segment 3D models of ankles based on CT images. Furthermore, in order to optimize the quality of the incoming CT images, this thesis project also consisted of an evaluation of the specified parameters in the Episurf CT talus protocol that is being sent out to the clinics. The performance of the CNN was evaluated using the Dice Coefficient (DC) with five-fold cross-validation. The CNN achieved a mean DC of 0.978±0.009 for the talus bone, 0.779±0.174 for the tibial bone, and 0.938±0.091 for the fibula bone. The values for the talus and fibula bones were satisfactory and comparable to results presented in previous researches; however, due to background artefacts in the images, the DC achieved by the network for the segmentation of the tibial bone was lower than the results presented in previous researches. To correct this, a noise-reducing filter will be implemented. / Fotledens komplexa anatomi ger upphov till en ideal balans mellan rörlighetoch stabilitet, vilket i sin tur möjliggör gång. Fotledens anatomi förändras när en skada uppstår, vilket kan påverka rörligheten och stabiliteten samt orsaka intensiv smärta. En skada i talusbenets ledbrosk eller i det subkondrala benet på talusdomen benämns som en Osteochondral Lesion of the Talus(OLT). En metod att behandla OLTs är att ersätta den del brosk eller bensom är skadat med ett implantat. Episurf Medical utvecklar och producerar individanpassade implantat (Episealers) och tillhörande nödvändiga kirurgiska instrument genom att, bland annat, skapa en motsvarande 3D-modell av fotleden (talus-, tibia- och fibula-benen) baserat på en skanning med antingen magnetisk resonanstomografi (MRI) eller datortomografi (CT). I dagsläget kan de 3D-modeller som baseras på MRI-skanningar skapas automatiskt, medan de 3D-modeller som baseras på CT-skanningar måste skapas manuellt - det senare ofta tidskrävande. I detta examensarbete har ett U-net-baserat Convolutional Neuralt Nätverk (CNN) tränats för att automatiskt kunna segmentera 3D-modeller av fotleder baserat på CT-bilder. Vidare har de speciferade parametrarna i Episurfs CT-protokoll för fotleden som skickas ut till klinikerna utvärderats, detta för att optimera bildkvaliteten på de CT-bilder som används för implantatspositionering och design. Det tränade nätverkets prestanda utvärderades med hjälp av Dicekoefficienten (DC) med en fem-delad korsvalidering. Nätverket åstadkom engenomsnittlig DC på 0.978±0.009 för talusbenet, 0.779±0.174 för tibiabenet, och 0.938±0.091 för fibulabenet. Värdena för talus och fibula var adekvata och jämförbara med resultaten presenterade i tidigare forskning. På grund av bakgrundsartefakter i bilderna blev den DC som nätverket åstadkom för sin segmentering av tibiabenet lägre än tidigiare forskningsresultat. För att korrigera för bakgrundsartefakterna kommer ett brusreduceringsfilter implementeras