Analisi numerica dell’effetto di una lesione metastatica sulla biomeccanica del corpo vertebrale = How do metastatic lesions affect the biomechanics of a vertebral body? A numerical analysis

Un soggetto su tre affetto da cancro presenta metastasi alla colonna vertebrale con possibili complicazioni neurologiche. Ad oggi la valutazione dell’instabilità del rachide lesionato per la scelta di un possibile intervento chirurgico, è affidata al classificatore SINS (Spinal Instability Neoplastic Score), che ha caratteristiche più qualitative che quantitative. Questa tesi, svolta presso il laboratorio di Bioingegneria Computazionale dell’Istituto Ortopedico Rizzoli di Bologna, è l’inizio di un progetto triennale che ha come obbiettivo introdurre nel SINS la valutazione personalizzata della biomeccanica vertebrale, attraverso modelli FE subject specific (SSFE) costruiti da CT; normalmente eseguita nei casi metastatici. Il progetto è necessario perché non è ancora disponibile un modello biomeccanico accurato applicabile in clinica, né è chiaro quali siano i parametri della lesione che più influenzano la biomeccanica vertebrale. Il lavoro pratico della tesi è stato preceduto da una estesa analisi critica dei modelli SSFE metastatici presenti in letteratura, che ha consentito di definire gli obiettivi della tesi: (i) la costruzione di un modello SSFE vertebrale innovativo, che simuli in maniera parametrica, per dimensione e posizione, la presenza di una metastasi e (ii) la definizione delle posizioni più critiche della metastasi in termini di deformazione indotta nel tessuto osseo rispetto al caso intatto. A partire da immagini CT di 2 campioni cadaverici di vertebra L3, è stato costruito un modello SSFE del corpo vertebrale, poroelastico e disomogeneo (in funzione della densità stimata da CT), caricato simulando la pressione idrostatica del disco sovrastante l'endplate superiore. È stata simulata una lesione metastatica di scarsa consistenza, incomprimibile, di forma ellissoidale, di volume pari al 13% del corpo vertebrale, che assume 12 posizioni differenti, irradiate dal nodo vascolare di Batson, considerato la più probabile sede di esordio. Sono stati quindi costruiti 13 modelli per vertebra, 12 con lesione e uno intatto a riferimento. Dall'analisi di letteratura, come parametri di output rispetto all’intatto sono stati scelti: lo spostamento (D) e la deformazione assiale sull’endplate superiore (εy-e); la deformazione assiale sulla parete corticale esterna (εy-c) e all’interno della vertebra (εy-i); la terza deformazione principale (ε3) e la deformazione cerchiante (εh) sulla parete corticale esterna. I risultati ottenuti mostrano che: (i) in contrasto con la letteratura una lesione del 13% è sufficiente ad indurre cambiamenti significativi dei parametri biomeccanici; (ii) più la lesione è vicina all’endplate superiore maggiori sono le deformazioni che introduce; (iii) le deformazioni che più cambiano rispetto all'intatto sono εy-i e εh, con aumenti medi intorno al 200% e (iv) εy-e, contrariamente a quanto atteso, aumenta solo, in media, del 30%. In conclusione, la presenza della metastasi incomprimibile crea un ‘effetto bolla’ che genera una spinta sulle pareti esterne, giustificando l’aumento dei valori di εh e il parziale scaricamento dell’endplate superiore in corrispondenza della lesione. Si nota inoltre una redistribuzione ad arco delle deformazioni intorno alla metastasi, con significativo stress-shielding sotto la metastasi e tensioni e deformazioni maggiori sopra la lesione. I risultati ricavati serviranno per la costruzione del modello sperimentale che verrà in seguito realizzato per la continuazione del progetto SINS.